Во многом именно для этого мы и создаем ускорители частиц: чтобы воссоздать в небольшом пространстве внутри детекторов экстремальные условия, характерные для начальных стадий развития Вселенной, с помощью которых мы могли бы лучше понять основополагающие физические принципы, сводящие всё воедино. Основная идея заключается в существовании некой всеобъемлющей математической теории, описывающей взаимодействия частиц при всех возможных условиях, и последовательное проведение их столкновений позволяет нам получить более полное представление об этой всеобъемлющей структуре.
В качестве аналогии можно привести воду. На самом фундаментальном уровне она представляет собой набор молекул, состоящих из определенным образом связанных атомов водорода и кислорода. Но в повседневной жизни мы воспринимаем воду в качестве однородной бесцветной жидкости, кристаллического твердого вещества, а в особенно тяжелые времена – в качестве удушающего влажного тумана, который заставляет вас мечтать об одежде, сшитой из полотенец[64]. Изучая поведение воды в этих различных состояниях, мы можем сделать выводы о том, что она на самом деле собой представляет, даже если у нас под рукой нет мощных микроскопов, позволяющих рассмотреть отдельные атомы. Например, форма снежинки может многое рассказать нам о форме молекул, если мы посмотрим, как они организуются в кристаллы. То, как вода испаряется, кое-что говорит нам о связях, которые удерживают молекулы вместе. Если бы мы имели дело с водой лишь в одном из ее агрегатных состояний, мы не смогли бы составить о ней полного впечатления. Точно так же наше представление о взаимодействиях субатомных частиц меняется в зависимости от уровня энергии или температуры во время эксперимента, варьирование которых позволяет нам лучше понять, что с ними на самом деле происходит.
В физике элементарных частиц нас интересует, как частицы взаимодействуют друг с другом и чем обусловлены их фундаментальные свойства, такие как масса. Характерная особенность любой частицы, обладающей массой, состоит в том, что она не может ускориться без применения силы и не способна достичь скорости света. На самых ранних этапах существования Вселенной поле Хиггса подверглось изменению, в результате которого электрослабое взаимодействие разделилось на электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие, и некоторые частицы (правда, не фотон и не глюон) получили возможность взаимодействовать с самим полем Хиггса. Интенсивность этого взаимодействия определяет массу частицы. Фотон продолжает путешествовать в пространстве со скоростью света, а частицы, обладающие массой, движутся тем медленнее, чем более сильное воздействие они испытывают со стороны поля Хиггса.
Сравнивать поведение частиц в условиях ранней Вселенной с их текущим поведением все равно что сравнивать собственное взаимодействие с паром и жидкой водой. Представьте, что пар – это поле Хиггса, то есть энергетическое поле, присутствующее в каждой точке пространства. А теперь представьте, что в какой-то момент поле Хиггса претерпело изменение, подобное конденсации пара в жидкую воду. Если вы привыкли иметь дело лишь с влажным воздухом, то пребывание в бассейне с водой станет для вас совершенно новым опытом. В результате внезапного изменения поля Хиггса сами законы физики как бы приобрели совершенно иную форму. Внезапно частицы, которые до этого могли беспрепятственно перемещаться в пространстве со скоростью света, замедлились под действием поля Хиггса, то есть обрели массу.
Этот процесс получил название «нарушение электрослабой симметрии».
Пугливая симметрия
Симметрия – это тонкое, абстрактное понятие, чрезвычайно трудно объяснимое без уравнений, но настолько важное для физики, что я не могу просто отмахнуться от него. Симметрия имеет ключевое значение как для описания существующих, так и для разработки новых теорий природы. Если в ходе размышлений о мире вы привыкли использовать управляющие им математические уравнения, вас, вероятно, не удивит идея описания теорий в терминах симметрий, которым они подчиняются. В противном случае все это может показаться вам сущей тарабарщиной. Итак, давайте сделаем небольшой экскурс в эту тему, поскольку симметрия представляет собой нечто невероятно красивое, и как только вы узнаете о ней подробнее, вы начнете замечать ее повсюду.
Симметрия не сводится к зеркальному отражению чего бы то ни было. В физике огромную роль играют закономерности и то, как они позволяют нам получить более глубокое понимание некоторой основополагающей структуры. Возьмем, к примеру, периодическую таблицу элементов. Почему элементы организованы в строки и столбцы? Если вы изучали химию, вы знаете, что в столбцах сгруппированы элементы, имеющие общие свойства. Например, благородные газы, перечисленные в крайнем правом столбце, не склонны к участию в химических реакциях, тогда как находящиеся рядом с ними галогены отличаются высокой химической активностью. Эти закономерности обнаружились еще до того, как таблица была заполнена. На самом деле ее создатель Дмитрий Менделеев даже оставил пробелы для еще не открытых элементов, которые, как он знал, должны существовать, исходя из выявленных им закономерностей.
Закономерности в периодической таблице позволили теоретически обосновать заполнение электронных орбиталей, что привело к открытиям, имеющим отношение к фундаментальной природе субатомных частиц. Разработка теорий всегда начиналась с выявления закономерностей в результатах наблюдений, после чего ученые приступали к поиску скрытых свойств, способных объяснить наблюдаемое явление. Все мы постоянно это делаем, даже если не отдаем себе отчета. Понаблюдав за дорожным движением в течение дня, вы можете сделать выводы о стандартном рабочем графике. По выцветшим местам ковра вы можете судить о том, какие части комнаты получают больше всего солнечного света (а также о том, как Земля ориентирована относительно Солнца).
В случае с физикой элементарных частиц использование симметрии во многом напоминает создание периодических таблиц, но для более мелких компонентов природы. Сходство между частицами, например, в плане заряда, массы или спина, может многое рассказать нам об особенностях их формирования и связях с фундаментальными взаимодействиями. Организация частиц с учетом их сходства позволяет физикам выявлять симметрии, которые могут оказаться основополагающими для целых теорий.
Иногда эти закономерности легче всего представить математически. Если вы обнаружите, что в уравнении, описывающем некий физический процесс, можно поменять местами несколько переменных, не повлияв на описываемое явление, значит, вы обнаружили математическую симметрию. И это, вероятно, может кое-что рассказать вам о лежащих в основе данного явления частицах или полях.
Основанный на симметрии способ рассмотрения частиц и их взаимодействий получил такое распространение в физике, что мы часто используем обозначения математических симметрий в качестве названий самих теорий. Например, электромагнетизм часто называют и(1) – теорией, поскольку некоторые из его математических аспектов имеют тот же тип симметрии, что и окружность (сокращением «U(1)» обозначается математическая группа поворотов окружности).
Нарушение симметрии – это событие, в результате которого условия внезапно изменяются таким образом, что теория, описывающая взаимодействия частиц, приобретает другую, менее симметричную структуру. После этого уже нельзя будет делать перестановки в уравнениях, а нарушение симметрии отразится и в физическом мире в виде изменения поведения частиц.
Некоторые используемые физиками симметрии являются абстрактными и могут быть выражены лишь математически, однако среди них есть и вполне привычные. О вращательной симметрии речь идет тогда, когда нечто выглядит одинаково при повороте на некоторый угол (например, окружность или пятиконечная звезда). Трансляционная симметрия означает, что нечто выглядит одинаково при сдвиге в сторону (например, длинный забор, сдвинутый на расстояние одной планки, или длинная прямая линия, смещенная на несколько сантиметров). Нарушение симметрии предполагает такое изменение ситуации, в результате которого симметрия перестает работать. Бокал обладает идеальной симметрией вращения до тех пор, пока где-то на его кромке не появится след от губной помады. Забор обладает трансляционной симметрией до тех пор, пока не сломается одна из его планок. Даже на званом обеде может произойти нарушение симметрии, особенно после подачи спиртных напитков. В начале банкета, пока вы терпеливо ждете в окружении множества столовых приборов и небольших тарелок с хлебом, вы находитесь в ситуации, которой свойственна вращательная симметрия. Как только кто-то из ваших соседей потянется за куском хлеба, симметрия нарушится, и все остальные смогут последовать его примеру[65].
С какой бы симметрией мы как физики ни работали, она будет отражена в описывающих взаимодействия уравнениях. Существуют способы кодирования вращательной, зеркальной и трансляционной симметрии, гарантирующие, что физика останется неизменной, как бы вы ни вращали, ни отражали и ни перемещали изучаемую систему. В уравнениях также могут быть закодированы и более тонкие виды симметрий, лучше всего описываемые с помощью теории групп и абстрактной алгебры; это удивительные разделы математики, обсуждение которых, к сожалению, выходит далеко за рамки данной книги.
Нарушение электрослабой симметрии, которое произошло спустя 0,1 наносекунды после возникновения Вселенной, представляло собой своеобразную перестройку структуры физики на фундаментальном уровне[66]. После этого правила взаимодействия частиц радикально изменились. Парообразное поле Хиггса превратилось в океан.
Однако водная аналогия не идеальна. Двигаясь сквозь толщу воды, вы замедляетесь, и если перестанете прикладывать усилия, то совсем остановитесь. Что касается массивных частиц, то их скорость не снижается по мере взаимодействия с полем Хиггса. В вакууме любой объект стремится продолжать делать то, что он делает. Массивные частицы, как правило, путешествуют по Вселенной на очень высоких (хотя и досветовых) скоростях. Основное различие между массивными и безмассовыми частицами заключается в том, что массивным частицам, движущимся в вакууме, для ускорения требуется толчок, тогда как безмассовые частицы перемещаются со скоростью света без всяких усилий. На самом деле, безмассовые частицы просто не могут двигаться медленнее скорости света.