Удивительные числа Вселенной полностью

Когда Вайнберг в 1973 году переехал из Массачусетского технологического института в Гарвард, он унаследовал офис Швингера. Швингер оставил там свои туфли, и Вайнберг воспринял это как вызов: можешь ли ты стать достойным преемником?[125] Я не сомневаюсь, что он смог. В том же году в ЦЕРН пузырьковая камера с чудесным названием «Гаргамелла»[126] предоставила доказательства того, что слабое взаимодействие переносится какой-то нейтральной частицей, — именно это предсказывала электрослабая теория Вайнберга, где фигурировал Z-бозон. Вайнберг и Глэшоу предсказуемо присоединились к Швингеру в пантеоне нобелевских лауреатов[127].

Парнями из Бронкса — Вайнбергом и Глэшоу — руководила направляющая рука симметрии, но в электрослабой теории есть то, что должно вас обеспокоить. Я говорил вам, что W- и Z-бозоны оказались чрезвычайно тяжелыми частицами. Так и должно быть, ведь слабое взаимодействие работает на крохотном расстоянии — около одной миллиардной от миллиардной доли метра, или примерно один процент диаметра протона. Может показаться, что тут все нормально, однако в предыдущей главе мы также узнали, что симметрия — это ноль, а в случае со взаимодействиями это означает, что их переносят частицы с нулевой массой. Итак, если мы живем во Вселенной, которая руководствуется симметрией, почему она оставляет место для таких тяжеловесов, как W и Z? Почему у них нет нулевой массы, как того требует симметрия?

Пришло время добавить бозон Хиггса.

Бозон Хиггса

Извините. Я знаю, что это плохая шутка. А как насчет физики? Возможно, вы слышали, что бозон Хиггса придает Вселенной ее массу. Ну это неправда. Возьмите книгу, которую вы держите в руках, или Джастина Бибера, или даже червяка, извивающегося в почве. Все эти объекты тяжелые (у них есть масса), — но что ее создает? Едва ли бозон Хиггса: он дает на деле менее одного процента. Благодаря той поэтической эквивалентности, которую Эйнштейн установил для массы и энергии, все, что вы видите вокруг себя, получает свою массу из энергии. Именно энергия хранится в связях ядерной физики — в цепях глюонов, скрепляющих протоны и нейтроны. Если весы в ванной показывают на несколько килограммов больше, чем вам бы хотелось, можете винить глюоны, энергию или гамбургер, съеденный в пятницу вечером. Но не вините бозон Хиггса.

Все сказанное верно для книг, Бибера и червяков. Но если мы интересуемся элементарными частицами, например W- и Z-бозонами, кварками и лептонами, то ситуация немного иная. Масса, которую они имеют, действительно зависит от хиггсона. Мы знаем, что симметрия — это ноль, а значит, переносчик взаимодействия не может иметь массу. Вот почему фотон и глюон не имеют массы. Чтобы появились такие тяжеловесы, как W- и Z-бозоны, мы должны убить симметрию.

Глэшоу понимал это. Он взял симметрию, которая руководила его идеями, и в конце расчетов разрушил ее. Разнес вдребезги. Но есть и другой способ — более щадящий. Чтобы придать массу W- и Z-бозонам, не нужно нарушать симметрию Глэшоу — достаточно ее скрыть. Симметрии скрываются в результате процесса, который называется спонтанным нарушением симметрии. Это ужасное название, поскольку симметрия никогда по-настоящему не нарушается, а всего лишь скрывается, но не будем зацикливаться на семантике. Вместо этого я расскажу вам сказку.

Жила-была принцесса с красивыми длинными золотыми волосами. Ее звали Рапунцель, и злая ведьма заперла ее в башне посреди леса. Однажды Рапунцель увидел проходивший мимо физик. «Она идеально подойдет для моего эксперимента», — подумал он и унес ее в открытый космос. Когда они оказались в вакууме, вдали от земного притяжения, физик заметил, что золотые локоны Рапунцель одинаково протягиваются во все стороны. Этого он и ожидал. Он поворачивал принцессу на произвольный угол, однако положение волос не менялось. Они всегда были направлены во все стороны. Так природа сообщала ему, что законам физики плевать на повороты, то есть они обладают вращательной симметрией. Затем он вернул Рапунцель на Землю и повторил свой эксперимент. Симметрия исчезла. Когда он поворачивал принцессу, положение волос изменялось: они всегда устремлялись к земле. Конечно, со временем физик понял, что симметрия на самом деле не исчезла: базовые законы природы все же равнодушны к вращению. Просто гравитационное поле Земли, действующее на волосы Рапунцель, скрыло эту симметрию из виду. В этой истории симметрия очевидна в вакууме пустого пространства, но скрыта в гравитационном поле Земли.

^{Вращение Рапунцель в космосе и на Земле}