Однако, к счастью для эстетически развитых физиков, нарушенные симметрии могут быть еще красивее и интереснее, чем идеально симметричные вещи. Идеальная симметрия часто скучна. Мона Лиза с симметричной улыбкой — это было бы совсем не то.
В физике, как и в искусстве, одна простота недостаточна для достижения высшей цели. Жизнь и Вселенная редко идеальны, и почти все симметрии, которые вам придут в голову, нарушены. Хотя мы, физики, ценим симметрию и восхищаемся ею, мы все равно должны найти связь между симметричной теорией и несимметричным миром. Лучшие теоретики признают элегантность симметричных теорий, и в то же время включение механизма нарушения симметрии необходимо для того, чтобы делать предсказания, согласующиеся с происходящими в нашем мире явлениями. Цель состоит в том, чтобы, не теряя элегантности, построить теории, которые оказываются богаче и иногда даже красивее.
Механизм Хиггса, основанный на явлении спонтанного нарушения симметрии (которое мы рассмотрим в следующей главе), дает пример такой хитроумной элегантной теоретической идеи. Этот механизм, названный по имени шотландского физика Питера Хиггса, позволяет частицам Стандартной модели — кваркам, лептонам и слабым калибровочным бозонам — приобрести массу.
Если бы не было механизма Хиггса, все элементарные частицы должны были бы быть безмассовыми; Стандартная модель с массивными частицами и без механизма Хиггса приводила бы к бессмысленным предсказаниям при больших энергиях. Магическое свойство механизма Хиггса заключается в том, что он не только позволяет вам получить свое пирожное, но и съесть его: частицы приобретают массы, но когда энергии достигают значений, при которых массивные частицы приводили бы к проблемам, частицы ведут себя, как если бы они были безмассовыми. Мы увидим, что механизм Хиггса позволяет частицам иметь массу, но свободно двигаться лишь в ограниченной области, что очень напоминает автомобиль Икара, который через полмили останавливает полисмен, но который может двигаться без помех на ограниченные расстояния. Оказывается, этого достаточно для решения проблем при высоких энергиях.
Механизм Хиггса — одна из самых изящных идей в квантовой теории поля, лежащая в основе происхождения масс всех элементарных частиц. Однако она довольно абстрактна. По этой причине она известна, в основном, только специалистам. Хотя многие идеи, которые будут рассмотрены ниже в этой книге, вы сможете понять и без знания деталей механизма Хиггса (так что при желании можно прямо перейти к выводам в конце главы), я бы рекомендовала вам читать дальше и немного углубиться в физику частиц и в идеи типа спонтанного нарушения симметрии, на которые в наши дни опираются теоретические исследования в этой области. В качестве бонуса вы получите поразительное понимание электромагнетизма, пришедшее только в 1960-е годы, когда были должным образом осмыслены слабое взаимодействие и механизм Хиггса. Ниже, когда мы перейдем к рассказу о моделях с дополнительными измерениями, знакомство с механизмом Хиггса позволит вам понять потенциальные достоинства этих современных идей.
Спонтанно нарушенная симметрия
Прежде чем описывать механизм Хиггса, нужно сначала исследовать спонтанное нарушение симметрии — особый тип нарушения симметрии, играющий центральную роль в этом механизме. Спонтанное нарушение симметрии играет большую роль во многих свойствах Вселенной, которые мы уже понимаем, и, вероятно, играет роль в тех свойствах, которые еще предстоит открыть.
Спонтанное нарушение симметрии повсеместно встречается не только в физике, оно является распространенным явлением в повседневной жизни. Спонтанно нарушенная симметрия — это симметрия, которая сохраняется физическими законами, но не способами, которыми вещи реально упорядочены в мире.
Спонтанное нарушение симметрии имеет место тогда, когда система не может сохранить симметрию, которая существовала бы в противном случае. Вероятно, лучший способ объяснить, как это работает, — привести несколько примеров.
Рассмотрим для начала званый обед, на котором гости сидят за круглым столом и между ними стоят стаканы с водой. Какой стакан возьмет кто-то из гостей — справа или слева от него? На это нельзя дать определенного ответа. Мне сказали, что по мнению Мисс Правила Приличия надо брать тот стакан, который справа, но если пренебречь правилами этикета, то в равной степени годится и левый, и правый стакан.
Однако, как только кто-то выберет стакан, симметрия нарушается. Стимул к выбору необязательно должен быть частью системы; это мог бы быть и внешний фактор — жажда. Тем не менее, если кто-то внезапно отопьет глоток из стакана слева от себя, то это же сделают и соседи, так что в конце концов каждый гость выпьет из стакана, стоящего слева.
Симметрия существует до того момента, пока кто-нибудь не возьмет стакан. В этот момент лево-правая симметрия спонтанно нарушается. Ни один закон физики не требует, чтобы кто-то должен был выбрать левый или правый стакан. Но выбор должен быть сделан, и после этого левое и правое становятся неодинаковыми в том смысле, что пропадает симметрия, меняющая левое с правым.
Приведем другой пример. Представьте карандаш, стоящий на своем острие в центре круга. В течение доли секунды, пока карандаш покоится в строго вертикальном положении, для него все направления эквивалентны и существует вращательная симметрия. Но карандаш долго не продержится на своем острие — он спонтанно упадет в некотором направлении. Как только карандаш начинает падать, исходная вращательная симметрия нарушается.
Заметим, что физические законы сами по себе не определяют это направление. Физика падения карандаша будет в точности одинаковой независимо от направления падения. Нарушать симметрию будет сам карандаш, т. е. состояние системы. Карандаш не способен одновременно падать во всех направлениях. Он должен упасть только в одном конкретном направлении.
Бесконечно длинная и высокая стена будет выглядеть одинаково везде и по всем направлениям. Но поскольку настоящая стена имеет границы, то если вы должны увидеть симметрии, вам нужно приблизиться к стене на достаточно малое расстояние, так чтобы границы исчезли из вашего поля зрения. Наличие у стены концов указывает на то, что не все у нее везде одинаково, но если вы прижметесь к стене носом, так что сможете видеть только ее малую область, то будет казаться, что симметрия сохраняется. Стоит немного поразмышлять над этим примером, который показывает, что если смотреть с одного расстояния, симметрия может казаться сохраняющейся, в то время как с другого расстояния она кажется нарушенной. Очень скоро нам станет ясна важность этого понятия.
Почти все симметрии в мире, которые могут прийти вам в голову, не сохраняются. Так, имеется много симметрий, присутствующих в пустом пространстве, например, вращательная или трансляционная инвариантность, говорящие нам, что все направления и положения эквивалентны. Однако пространство не пусто, в нем натыканы структуры вроде звезд и Солнечной системы, занимающие определенные положения и определенным образом ориентированные, так что исходная симметрия разрушается. Эти структуры могут быть где угодно, но не могут быть везде. Исходные симметрии должны быть нарушены, хотя они неявно сохраняются в описывающих мир физических законах.
