Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, ативещество и бозон Хиггса

Голдберг Дэйв

Обогнать безмассовую частицу невозможно, поскольку она всегда перемещается со скоростью света. Например, как бы быстро вы ни бежали, ваша масса (даже если она очень маленькая) никогда не позволит вам убежать от настигающего вас фотона — сделать так, чтобы расстояние между вами увеличивалось.

Частица-левша отличается от частицы-правши тем, в какую сторону она вращается, когда летит на вас. Если частица массивна, то я могу сделать так, чтобы приближающаяся частица выглядела как удаляющаяся, и для этого мне нужно всего-навсего изменить состояние моего собственного движения. В мгновение ока — исключительно приняв другую точку зрения — я могу превратить частицу-левшу в частицу-правшу.

Однако если слабое взаимодействие в самом деле подчиняется леворуким

симметриям, с которыми мы уже знакомы, — а я напомню вам, что именно эта симметрия в конечном итоге повинна в том, что во вселенной преобладает вещество, а не антивещество, — тогда симметрия может сохраниться только в том случае, если все участвующие в ней частицы лишены массы.

У них у всех — у кварка, у электрона, у нейтрино — не должно быть массы, однако она у них есть. Массы кварков, электронов, а скорее всего, и нейтрино объясняются полем Хиггса. Какой механизм за этим стоит, мы пока понимаем смутно, однако теперь, когда установлено, что бозон Хиггса существует на самом деле, у нас есть все основания полагать, что мы на верном пути.

Однако при всем своем значении бозон Хиггса вовсе не «лежит в основе всей вселенной», как о нем то и дело говорят. А главное, он на самом деле вовсе не лежит в основе вашей собственной массы.

Вы состоите из протонов и нейтронов, а ваши протоны и нейтроны состоят из кварков. Однако, как мы давно поняли, целое куда больше суммы частей. Общая масса кварков в протоне составляет всего около 2 % массы всего протона. А все остальное — практически вся ваша масса — состоит из энергии взаимодействия между кварками. И это только атомы. Кроме того, бозон Хиггса никак не объясняет, откуда берется темное вещество, составляющее 85 % массы вселенной. И хотя стандартная модель уже доказала на деле, что ее предсказания просто чудо какие точные, в фундаментальной теории, содержащей 19 подстраиваемых численных величин, есть что-то подозрительное. Эти числа мы знаем только потому, что мы их измеряем.

Я хочу сказать, что открытие бозона Хиггса вполне может стать завершением стандартной модели, однако никакого конца физики оно не обозначает. И хотя — внимание, спойлер! — мы еще не достигли конца физики, у нас есть некоторое подозрение, что именно симметрия поможет нам пройти остаток пути.

Глава десятая. Скрытые симметрии

В которой предметы в зеркале оказываются ближе, чем кажется

У физики и у науки в целом сложилась обидная репутация, будто все это неприятные упражнения в созерцании собственного пупка, и это, пожалуй, величайшая несправедливость на свете. Нет никаких сомнений, что в этом повинны задачки про блоки и тела на наклонных плоскостях, с которыми школьники сталкиваются на уроках физики. Это все равно что бесконечно играть гаммы и на этом основании судить о красоте музыки.

Вообще-то заниматься наукой весело и интересно. Ну да, конечно, то и дело вязнешь в списках частиц и каких-то оккультного вида законах, но ни на миг нельзя забывать, что вообще-то это весело и интересно. Настоящая физика — это увлекательная игра с участием всей вселенной.

Казалось бы, считать науку игрой — это несколько ее опошлять, однако я считаю, что в игру стоит играть ради ее правил (за исключением квиддича). Понять правила — первый шаг к тому, чтобы овладеть игрой.

В мире физики правила не изложены в удобной брошюрке. Нам приходится выводить их из наблюдений и экспериментов. И когда мы наталкиваемся на ограниченность собственных познаний, нам приходится на миг отойти в сторону и провести инвентаризацию — что же мы упустили?

В самом начале книги мы познакомились с метафорой Ричарда Фейнмана, который уподобил науку игре во вселенские шахматы. Распознать все симметрии во вселенной мы сумеем только после того, как пристально пронаблюдаем великое множество партий, но главное — мы сумеем разобраться, когда эти симметрии нарушаются.

В ту же игру мы можем играть — и уже играли — с вселенскими законами. Всего

лишь из трех внутренних симметрий мы тут же вывели список всех частиц и сил во вселенной. Мы можем снабдить вас полным перечнем возможных фермионов (напомню: это частицы со спином - 1/2 , которые составляют вещество). Мы способны предсказать все фундаментальные взаимодействия и бозоны, которые служат их переносчиками. Мы можем разобраться, какой заряд, цвет, слабый изоспин или гиперзаряд у какой частицы.

Неплохо.

Итак, мы уже нашли все до единой частицы, предсказанные стандартной моделью, и ничего лишнего. Помимо этого, мы можем вычислить всевозможные взаимодействия с безумной точностью до десятого знака после запятой.

И при всем при том на нетренированный взгляд стандартная модель выглядит как-то неэлегантно. Некоторые ее законы ужасно узкоспециальные и, положа руку на сердце, вызывают почти у всех, кто над ними задумывался, неприятное ощущение, что тут должно быть что-то куда как глубже. Стандартная модель — это такая шикарная квартира, в которой вы замазали все щели зубной пастой в надежде, что хозяин вернет вам залог, который вы внесли, когда ее снимали. Вид, конечно, очень красивый и аккуратный — и по большей части все и правда красиво и аккуратно, — однако некоторые важные вопросы определенно требуют ответа.

Нет физики — нет проблем

У стандартной модели, как вы сейчас убедитесь, есть некоторые проблемы, но перед тем, как я в них углублюсь, хочу обратиться к вам с небольшой просьбой. К подобным признаниям принято относиться с излишней серьезностью, как будто любую проблему нужно срочно-срочно решать. Отнюдь нет. Нынешняя модель вселенной не лишена недостатков, однако не может быть, чтобы мы настолько уж отклонились от истины. Общая теория относительности гораздо точнее ньютоновой теории гравитации, однако это не означает, что мы, обитатели постэйнштейновского мира, должны насмехаться над Ньютоном. Подобным же образом не так уж важно, каким именно образом мы объединим квантовую механику и гравитацию — обе теории, если не случится ничего катастрофического, все равно позволят нам и дальше делать очень точные предсказания.

При всем при том сейчас я познакомлю вас с одним прелестным образчиком из нашей сокровищницы невежества, а потом проведу экскурсию по самым лучшим на данный момент способам разобраться с этим безобразием.

Почему симметрии именно такие, а не другие?

Вся наша модель вселенной построена на симметриях. Одни симметрии, например, изотропия (законы одинаковы по всем направлениям), однородность (одинаковы везде) и инвариантность времени (одинаковы в любой момент времени), представляются довольно-таки естественными. Даже относительность, Лоренц-ковариантность, которая позволяет всем наблюдать одну и ту же скорость света, обладает определенной красотой и элегантностью, которая позволяет ей выглядеть естественно.

Но стоит нам углубиться во внутренние симметрии стандартной модели — и они, честно говоря, представляются совершенно узкоспециальными (то есть некрасивыми) даже непосвященным. Конечно, фазовая симметрия, та, благодаря которой у нас есть электромагнетизм, устроена вроде бы проще некуда. Однако среди всех прочих, тех, из которых вырастают слабое и сильное взаимодействия, есть много отнюдь не таких простых. Почему вселенная избрала именно их?

А некоторые симметрии опережают по сложности даже те, которые генерируют силы. Пересмотрите еще раз перечень частиц из стандартной модели — и вы обнаружите, что все фермионы красиво и аккуратно распределяются по трем поколениям, каждое следующее массивнее предыдущего. Например, верхний и нижний кварки самые легкие. Очарованный и странный на вид почти такие же — одинаковый заряд, одинаковый спин, одинаковые взаимодействия — однако примерно в сто раз массивнее. Топ— и боттом-кварки (они же прелестный и истинный кварки) такие же, но еще в несколько сотен раз массивнее.