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

Голдберг Дэйв

Зачем вселенной три поколения фермионов, когда практически все взаимодействия в нашей повседневной жизни прекрасно обошлись бы и одним? Как высказался нобелевский лауреат Исидор Раби по поводу открытия мюона, который представляет собой всего лишь разновидность электрона во втором поколении:

А это кто заказывал?!

Такое ощущение, что вселенная не просто выбрала самые простые из возможных симметрий и удовольствовалась ими. Вот, например, почему вселенная леворукая?

Когда создается нейтрино, оно всегда вращается в одну определенную сторону. И это не просто курьез. То, что вселенная сделала определенный выбор, пусть и самый что ни на есть произвольный, несказанно

важно — по крайней мере, для всего, что основано на веществе. Еще в первой главе Андрей Сахаров показал нам, что во вселенной-амбидекстере избытка того, что местные жители могли бы назвать веществом, быть не может.

Так почему же и как вселенная выбрала одно направление, а не другое? Нет никаких особых причин, по которой у нас не может быть самой что ни на есть симпатичной вселенной, идентичной нашей, только не леворукой, а праворукой. И почему только слабое взаимодействие, так сказать, «ходит налево»?

Это отнюдь не риторический вопрос. Среди уроков, который преподают нам симметрии, едва ли не самый важный состоит в том, что если теория в принципе может охватить какое-то конкретное явление, она его, скорее всего, охватит. В частности, это можно сказать о квантовой хромодинамике — теории сильного взаимодействия [107] , которая весьма естественно содержит слагаемое, нарушающее симметрию отражения.

Попробуйте представить это себе следующим образом. Предположим, вы сидите за круглым столом на роскошном званом обеде и обнаруживаете два бокала с водой — один справа от вас, а другой слева. Разумеется, в книге «Как себя вести» написано, из какого бокала вам положено пить [108] , однако предположим, что манеры у вас такие же скверные, как и у меня, — тогда вам подойдет любой бокал. Однако дело вот в чем: если вы выберете, например, тот бокал, который от вас слева, у вашей соседки слева не останется выбора: ей придется пить из бокала, который стоит слева от нее, и т. д. Если симметрия нарушается, она нарушается везде.

107

«Хромо-» относится здесь к цвету кварков и глюонов, участвующих в сильном взаимодействии.

108

Из того, который справа.

Не существует никаких доказательств, что у сильного взаимодействия есть хоть какое-то предпочтительное направление, а между тем проведены эксперименты, которые выявили бы асимметрию с точностью до одной миллиардной.

Интересное потенциальное решение предложили в 1977 году Роберто Печчеи и Элен Куинн. Они выдвинули гипотезу, что симметрия «лево-право» сама по себе — как и другие симметрии — предполагает наличие частицы. В этом случае частица называется «аксион». Аксион не просто объясняет симметрию сильного взаимодействия. Поскольку эта разновидность частиц нейтральна, массивна и — как можно ожидать — весьма многочисленна, то если аксион существует, он может оказаться недостающей частицей темного вещества. Слово «может» здесь ключевое. Пока что самые усердные поиски и в космосе, и в лаборатории не дали ни малейшего результата.

Что значит «сильное» и «слабое»?

Сами названия фундаментальных взаимодействий многое говорят об их важнейших качествах. Два из них называются слабым и сильным. Мы уже поняли, почему слабое взаимодействие такое слабое (поле Хиггса), но почему сильное — такое сильное? Если бы сильное взаимодействие не было сильнее электромагнетизма, кварки в ваших протонах и нейтронах отталкивались бы друг от друга так неистово, что это вызывало бы взрыв, который уничтожил бы и вас, и все, что вы любите. Так что нам очень повезло, что сильное взаимодействие так

сильно, однако это же не объясняет, почему ему обязательно нужно быть именно таким, верно?

Даже слабое взаимодействие, невзирая на название, на самом деле процентов на 80 сильнее электромагнетизма. Оно кажется слабым лишь из-за того, что его переносчики так массивны. Когда удается разогнать этих крошек до скорости, близкой к скорости света, слабое взаимодействие становится гораздо сильнее — то есть не то слово!

А относительная сила взаимодействий — это только верхушка айсберга. Не надо забывать, что в стандартной модели девятнадцать свободных параметров. В их число входят не только величины всевозможных сил, но и массы разных частиц и то, как сочетаются силы и частицы. Причем все эти числа — не незатейливые математические величины вроде, например, единицы или p. Напротив, как выяснилось, это какие-то малосимпатичные числа вроде 1,137,0359… для электромагнитного взаимодействия или 125 ГэВ для массы Хиггса.

Мы мимоходом затрагивали тему антропного обоснования законов физики. Не исключено, что эти девятнадцать с чем-то параметров в разных частях множественной вселенной разные, а по какой-то загадочной причине, которую мы еще не установили, лишь некоторые их сочетания, в частности, наше, допускают развитие жизни столь высокоорганизованной, что она способна создать ускорители частиц. А еще не исключено, что мы просто пока плоховато знаем физику, чтобы предсказать эти величины на основании фундаментальных законов, и нам просто повезло.

Теперь поговорим о массах (и почему они такие маленькие)

Вероятно, вы заметили, что я исподтишка подсунул в список необъяснимых параметров массы фундаментальных частиц. «Постойте! — воскликнете вы. — Кажется, вы всю последнюю главу только и делали, что объясняли, откуда берутся массы!»

Так и было, однако хотя поле Хиггса придает различным частицам массу, количество этой массы приходится вводить вручную. Открыть бозон Хиггса, а затем подтвердить его существование было так трудно именно потому, что мы не сомневались, что он существует, но никак не могли установить, какова его масса. Пришлось рассматривать кучу разных вариантов.

Еще страннее, что когда пытаешься угадать массу частицы, почти всегда ошибаешься.

Угадывать массу частицы — это примерно то же самое, что иногда делают на ярмарках, когда соревнуются в точном определении на глаз веса больших головок сыра, только в нашем случае, чтобы понять, как именно масса входит в уравнение, приходится еще учитывать все подсказки и суть законов физики. Для этого приходится перетасовывать и сопоставлять все фундаментальные физические постоянные: с (скорость света), ћ (постоянная Планка) и G (гравитационная постоянная Ньютона).

Эти числа удостоились подобной чести, поскольку описывают не какую-то конкретную силу или конкретную симметрию. Точно так же как скорость света можно принять за 1 (и таким образом приравнять световой год просто к году), остальные постоянные тоже можно всячески тасовать и перемешивать независимо от того, какие единицы измерения рассматриваешь. Стоит перемножить фундаментальные постоянные в нужных степенях — а из соображений размерности это можно сделать лишь одним способом — и получишь массу примерно в 20 миллиардных килограмма. Это называется планковская масса [109] , и любой специалист по физике элементарных частиц скажет вам, что она огромна — примерно в 10¹⁹ раз больше массы протона.

109

Если вам интересно, уравнение выглядит вот так: "Oћс/G способ получить массу из этих величин.