Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки

Радунская Ирина Львовна

Родственный процесс спонтанного нарушения симметрии электромагнитного поля, а следовательно, и состояний электронов внутри металла при понижении температуры, приводит к одному из поразительнейших явлений — явлению сверхпроводимости. Обычно в металлах часть электронов свободна, они движутся внутри металла, как атомы газа в сосуде, каждый независимо от других. Электроны имеют спин 1/2, подчиняются статистике Ферми — Дирака и соответствующим правилам запрета. Когда температура падает ниже определенной критической температуры, электроны внезапно группируются попарно так, что их спины оказываются скомпенсированными. Эти пары ведут себя совсем иначе. Каждая пара выступает как своеобразная частица — квазичастица — со спином, равным нулю, поэтому они подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Все пары ведут себя

одинаково, и ни одна из них не может выделиться из коллектива. Они ведут себя не как газ свободных частиц, а как единая сущность, как своеобразная сверхтекучая жидкость, льющаяся сквозь металл, не взаимодействуя с его решеткой. Так возникает явление сверхпроводимости: сверхтекучая жидкость, состоящая из электронных пар, течет в металле, не испытывая сопротивления, не теряя энергию. Электрический ток в сверхпроводнике может течь вечно, не расходуя энергию. Это поразительное явление долго оставалось тайной, пока за разгадку не принялась квантовая теория.

В сверхпроводнике электроны оказываются связанными в пары, как дети, перебрасывающиеся мячом. Мяч не позволяет им разойтись слишком далеко. Для электронов этим мячом являются фотоны, которыми они обмениваются в процессе взаимной компенсации своих спинов. Этот процесс напоминает компенсацию спинов электронов при соединении двух атомов водорода в молекулу. В обоих случаях компенсация спинов осуществляется путем обмена фотонами.

Спонтанное изменение симметрии электромагнитного поля приводит не только к спариванию электронов и переходу металла в сверхпроводящее состояние, но вызывает еще одно поразительное следствие: фотоны, реализующие это поле, приобретают массу. В недрах металла рождается нигде ранее не виданная материя! Этот удивительный факт подтверждается тем, что магнитное поле может проникнуть в глубь сверхпроводника только на очень малую глубину. Попытка втолкнуть его внутрь сверхпроводника увеличением напряженности магнитного поля приводит к восстановлению симметрии внутреннего электромагнитного поля металла и разрушению сверхпроводимости. Так ученые столкнулись с невообразимым фактом: спонтанное изменение симметрии поля способно сообщить массу покоя частицам, лишенным такой массы в обычных условиях!

В 1961 году Глэшоу первым попытался использовать это при построении теории элементарных частиц. В 1967 году Вайнберг создал первую теоретическую модель, в которой слабые и электромагнитные взаимодействия объединены в определенную симметричную систему, а различия между ними вызваны спонтанным нарушением этой симметрии. При этом он основывался на работе Хиггса, который еще за три года до того показал, что спонтанное нарушение симметрии может приводить к изменениям масс различных частиц, как это происходит с фотоном при возникновении сверхпроводимости. Через несколько месяцев подобную гипотезу независимо высказал Салам, теперь ее обычно называют моделью Вайнберга — Салама.

Только в 1977 году три различные группы экспериментаторов, одна в Швейцарии (в работе участвовало 55 ученых) и две в США, довели до бесспорного результата начатые в 1973 году наблюдения, доказывающие существование кванта поля слабых взаимодействий — промежуточного векторного бозона. Название получилось сложным, ибо оно должно было характеризовать свойства гипотетической частицы: «промежуточный» означает, что она имеет массу покоя, величина которой лежит между массами нуклонов и очень тяжелых частиц гиперонов. «Векторный бозон» означает, что частица родственна фотону, то есть обладает целочисленным спином и подчиняется статистике Бозе — Эйнштейна.

Огромное значение этих опытов состоит в подтверждении глубокого родства между слабыми и элекромагнитными взаимодействиями, двумя из четырех фундаментальных сил, образующих все многообразие известного нам мира. В 1979 году заслуги Глэшоу, Вайнберга и Салама, объединивших слабые и электромагнитные взаимодействия, были отмечены Нобелевской премией.

Недавно астрофизики нашли еще одно подтверждение единства электромагнитных и слабых взаимодействий. Симметрия, объединяющая поле, порождающее эти взаимодействия, позволила понять процессы, приводящие к возникновению «сверхновых» звезд. Появились надежды на то, что спонтанное нарушение симметрии, приводящее к различию слабых и электромагнитных взаимодействий, позволит вычислить, то есть указать механизм, приводящий к тому, что масса нейтрона на 0,13 % превышает массу протона.

Эти вдохновляющие успехи снова возродили веру, восходящую к Эйнштейну, веру в то, что удастся создать единую теорию всех полей, существующих в природе.

Ищите гравитоны!

Сейчас мы можем полностью присоединиться к предсказанию Эйнштейна о том, что существование элементарных частиц должно вызвать радикальную перестройку теории тяготения (общей теории относительности). Мы должны признать и то, что Эйнштейн не сумел реализовать это из-за глубокого предубеждения против вероятностной трактовки квантовой механики, казавшейся ему временным промежуточным этапом ее развития. Окончательный приговор вынесет будущее. Но сейчас другого пути нет, и к этой ситуации полностью относятся слова Эйнштейна, написанные им по другому поводу: «В свете уже достигнутых результатов счастливо найденное кажется почти само собой разумеющимся и любой толковый студент усваивает теорию без большого труда».

Теория поля тяготения, развитая Эйнштейном в форме общей теории относительности, предсказавшая отклонение света вблизи Солнца, красное смещение в звездных спектрах и запаздывание радиосигналов, проходящих около Солнца, объяснившая аномалию движения Меркурия, останется навсегда в фундаменте науки о макромире. Для применения к микромиру она нуждается в дальнейшем развитии, аналогичном тому, которое превратило классическую электродинамику Максвелла в квантовую электродинамику. Прежде всего нужно попытаться конкретизировать свойства гравитонов — частиц, реализующих действие гравитационного поля, то есть сделать то, что сам Эйнштейн произвел для электромагнитного поля, постулировав существование его квантов-фотонов и показав связь между их энергией и длиной волны или частотой света. Предсказав существование гравитонов, необходимых для того, чтобы излучение гравитационных волн не разрушило атомы, Эйнштейн не сделал попытки установить свойства этих частиц.

Гравитоны еще никто не наблюдал. Это очень трудная задача, и нельзя сказать, когда она будет решена. Но основные свойства гравитонов уже известны, а многие можно предугадать. Давайте рассуждать. Поле тяготения действует на больших расстояниях. Значит, гравитоны подобно фотонам не имеют массы покоя и движутся со скоростью света. Их спин должен быть равным целому четному числу, потому что нечетный целочисленный спин приводит к взаимному отталкиванию, а гравитация дает только притяжение. Спин, равный нулю, исключается, иначе гравитоны не могли бы вызвать отклонения фотонов вблизи тяжелых масс, а отклонение света вблизи Солнца подтверждено опытом. Может быть, спин гравитона равен 2? Правдоподобно. Двойка — наименьшее простейшее четное число, значит, следуя мысли Ломоносова, нужно остановиться на ней, чтобы не вызывать излишних осложнений. Это предположение удовлетворяет всем опытным фактам, и нет оснований отказываться от него до открытия опровергающих фактов.

Зная основные свойства гравитонов, теоретики могут пойти и противоположным путем. Построив последовательную квантовую теорию поля, в которой гравитационные силы реализуются безмассовыми частицами со спином 2, они приходят к общей теории относительности Эйнштейна. При этом сила тяготения, сила инерции и центробежная сила возникают в результате локального нарушения симметрии пространства, вызванного присутствием вещества, ускорением или вращением тел относительно всех остальных масс Вселенной.

Дальше в игру включается идея суперсимметрии, объединяющей бозоны (фотоны, гравитоны и другие частицы и античастицы, имеющие целочисленный спин) с фермионами (электронами, протонами, нейтронами и другими, а также их античастицами, имеющими полуцелый спин). Суперсимметрия объединяет, например, бозон со спином 1 в одну суперчастицу вместе с фермионами, имеющими спин 1/2 и 3/2– Подобные рассуждения привели ученых к мысли о необходимости и неизбежности существования партнера гравитона. Он получил наименование «гравитино». (Маленький гравитон или, по-итальянски, гравитончик). Гравитино, как и гравитон, еще не удалось наблюдать. Обнаружить его очень трудно, ибо соответствующие ему силы тяготения заметны только на микроскопических расстояниях.