Действительно, существуют возможные неперенормируемые взаимодействия, которые придадут нейтрино небольшую массу, величина которой составляет одну стомиллионную долю массы электрона, и протону придадут конечное среднее время жизни, пусть оно будет и много больше возраста Вселенной. Недавние эксперименты показали, что нейтрино действительно обладают такой массой. А сейчас ведутся эксперименты, призванные определить малую долю протонов, которые могут распасться в течение года, и я готов сделать ставку, что такие события распада будут зарегистрированы. Если протоны действительно распадаются, Вселенная в конце концов будет состоять только из электронов и более легких частиц, таких как нейтрино и фотоны. Материя перестанет существовать в том виде, в котором она существует сейчас.
Я сказал, что в этой главе буду вести речь о симметриях законов, а не вещей, однако есть одна вещь настолько важная, что мне необходимо о ней упомянуть. Это сама Вселенная. Вселенная, если рассматривать ее на достаточно больших пространственных масштабах, включающих многие галактики, кажется, не имеет особенных точек и особенных направлений. Однако это свойство тоже может оказаться случайным. Существует заманчивая теория, получившая название хаотической инфляции, согласно которой при рождении Вселенная находилась в полностью хаотическом состоянии без каких-либо особенных пространственных симметрий. Поля, пронизывающие Вселенную, случайным образом становились более или менее однородными в разных точках пространства, и, согласно уравнениям гравитационного поля, именно эти области затем подверглись экспоненциально быстрому расширению, которое и называется инфляцией, что привело к возникновению современной Вселенной, где все неоднородности оказались сглажены быстрым расширением. В разных областях пространства симметрии физических законов должны были нарушаться разными способами. Большая часть Вселенной все еще находится в хаотическом состоянии, и только в тех областях, которые достаточно быстро расширились (и в которых симметрии оказались нарушены как надо), могла возникнуть жизнь, поэтому любые живые существа, которые исследуют Вселенную, неизбежно обнаружат себя именно там.
Все это довольно умозрительные теории. Существует некоторое эмпирическое подтверждение экспоненциального расширения Вселенной на ранней стадии, которое оставило свой след в реликтовом излучении, заполняющим Вселенную, однако до сих пор нет доказательств ранней хаотической стадии. Если окажется, что хаотическая теория инфляции верна, тогда многое из того, что мы наблюдаем в мире, будет следствием случайности нашего конкретного местоположения, случайности, которую невозможно объяснить, кроме как тем фактом, что это единственное место из всех, где возможна жизнь.
12. Бозон Хиггса и последствия
Осенью 2011 г. редакторы глянцевого британского ежемесячного журнала Prospect узнали, что в знаменитой всеевропейской лаборатории CERN варится что-то важное. Там искали частицу, известную как бозон Хиггса, существование которой было предсказано нашей очень успешной теорией элементарных частиц и взаимодействий — Стандартной моделью, к созданию которой я имел непосредственное отношение. Редакторы попросили меня написать заметку об этом поиске и о том, что последует за открытием, если оно действительно состоится. Моя статья была опубликована в декабрьском номере Prospect 2011 г. Состоявшееся позже открытие бозона Хиггса обсуждается в главе 13 этой книги.
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.
