В независимости от того, как оценивать результаты развития фундаментальной науки за последние полвека – как череду грандиозных успехов или же как унылое топтание на месте – одно можно констатировать совершенно определенно. В том, что касается взгляда на материю и сознание как на единую и неразрывно связанную систему, наука не продвинулась вперед ни на шаг с момента ухода Вольфганга Паули. Иначе говоря, наиболее волнующие вопросы человеческого существования – такие как «Кто мы? Откуда пришли? Зачем мы здесь?» – по-прежнему считаются никак не относящимися к предмету изысканий ученых-физиков.

Имеется сильное ощущение, что это неправильно. В настойчивом разделении материи и сознания чувствуется нечто чрезвычайно противоестественное, словно навязанное человеку принудительно. А поскольку позиция Вольфганга Паули в этом отношении выглядит куда более цельной и последовательной, представляется логичным продолжить исследования с того места, где он остановился. Ну и дабы процесс дальнейшего развития идей Паули двигался естественно и органично, не лишено, быть может, смысла повнимательнее присмотреться к тем результатам и гипотезам, что появились одновременно у нескольких молодых физиков-теоретиков вскоре после кончины видного ученого в декабре 1958.

Каким именно образом одни и те же важные идеи по сути одновременно приходят в голову разным людям, это (пока) науке неизвестно. Но остается фактом, что в начале 1960-х годов сразу в трех местах полдюжины исследователей – Питер Хиггс [1] соло, дуэт F. Englert & R. Brout [2] и трио Guralnik / Hagen / Kibble [3] – независимо друг от друга разработали математику теоретического механизма для разрешения проблем с единством электрослабых взаимодействий и загадкой появления у частиц массы. Эта конструкция, обеспечивающая цельность и непротиворечивость Стандартной Модели частиц, в истории закрепилась под не самым справедливым, но зато кратким названием «механизм Хиггса». И получила общепринятую интерпретацию в виде легендарного – поскольку до сих пор никем не наблюдавшегося – «бозона Хиггса». Однако здесь эта теория интересна ради совсем другой интерпретации.

Суть одновременного открытия всех этих физиков можно представить так, что сконструированный ими механизм оказывается созвучен тем загадочным идеям Вольфганга Паули, что пронизывали и чрезвычайно воодушевляли – судя по письмам – его исследования в последний год жизни. Можно напомнить, что несколько неожиданный интерес Паули к задачам гидродинамики, не говоря уже о таинственных фразах про раздвоение и уменьшение симметрии, по сию пору не находят внятного объяснения у историков науки. В связи с чем особенно интересно посмотреть на теоретический механизм Хиггса в привязке именно к этим трем «ключам», которые могли бы дать подсказки относительно конструкции Паули.

*

Что касается эффектов гидродинамики, то здесь созвучие идей представляется вполне очевидным. Когда суть заведомо нетривиальной математики в хиггсовой модели пытаются популярно донести до понимания обычных людей, то самые простые аналогии из жизни обычно связывают с водой. В качестве элементарного примера, иллюстрирующего появление массы у исходно безмассовых частиц, приводят замедление движений человека, которому приходится идти по пояс в воде. Чуть более наглядный пример – мелкие шарики раскрошенного пенопласта, практически невесомые сами по себе и на твердой поверхности стола разлетающиеся в разные стороны от малейшего дуновения. Однако если эти же шарики рассыпать на поверхность воды, то они уже куда меньше зависят от легких дуновений, словно становясь в воде тяжелее от дополнительно обретенной массы.

Примерно таким же образом – словно всепроникающая жидкость – воздействует на частицы и поле Хиггса. Сами по себе частицы не имеют массы, однако под действием «жидкости» Хиггса они обретают дополнительную инертность, проявляющуюся как их масса. При этом, чтобы данный механизм работал, поле Хиггса обязательно должно обладать весьма необычным свойством, отличающим его от всех прочих квантовых полей, рассматриваемых в физике. Любое другое квантовое поле в состоянии вакуума – когда в нем нет возбуждений-частиц – имеет нулевое значение энергии. А у всепроникающего поля Хиггса в состоянии вакуума энергия по определению должна быть ненулевой.

Данное свойство является принципиально важным не только для появления массы, но и для механизма нарушения симметрии, объясняющего разительные отличия между электромагнитными и слабыми ядерными взаимодействиями. Чтобы наглядно проиллюстрировать механизм нарушения (или «уменьшения») симметрии в физической системе применительно к конструкции Хиггса, часто используют аналогию мяча на вершине пригорка. Такой мяч находится в равновесном состоянии, которое симметрично относительно любого направления для скатывания вниз, но при этом состояние наверху нестабильно. От малейшего воздействия мяч скатывается с холма, из-за чего одно конкретное направление его движения становится отличным от всех прочих возможных. Симметрия системы оказывается нарушена, но при этом возрастает ее стабильность.

Применительно к хиггсову механизму такого рода спонтанное нарушение симметрии позволяет объяснить появление различий в электрослабых взаимодействиях. Картина распределения энергии в поле Хиггса напоминает по форме тот же пригорок, а точнее, мексиканскую шляпу-сомбреро, которая наглядно иллюстрирует, каким образом система из симметричного, но нестабильного состояния, когда силы электромагнитного и слабого взаимодействия одинаковы, спонтанно переходит или «скатывается» в стабильное, но несимметричное новое состояние. При котором силы становятся очень непохожими – слабая действует лишь на очень коротких расстояниях, а электромагнитная на больших дистанциях.

**

Среди других популярных иллюстраций, поясняющих эффект спонтанного нарушения симметрии в привязке к механизму Хиггса, особенно интересны те, что одновременно способны демонстрировать еще и «принцип удвоения» системы. С этой точки зрения любопытно взглянуть на такие физические свойства материалов, как ферромагнетизм и антиферромагнетизм. Ферромагнетики, как и прочие вещества с магнитными свойствами, состоят из молекул с дипольным моментом, или проще говоря, их молекулы ведут себя как крошечные магнитики. При высокой температуре все эти магнитики сориентированы в веществе беспорядочно, то есть каждое направление равноправно, а вся система в целом является симметричной.

Однако, когда температура системы понижается, то в определенной точке происходит спонтанное упорядочивание магнитиков по одной оси – значит, симметрия направлений в системе оказывается нарушена. В ферромагнитных веществах такое упорядочивание происходит у всех полюсов молекул в одну и ту же сторону. Особо же интересный для данного исследования вариант самоорганизации демонстрирует похожее в своей физике явление антиферромагнетизма. Отличие заключается в том, что в антиферромагнитных веществах каждый магнитик при спонтанном упорядочивании выстраивается антипараллельно своим соседям. То есть ось общего направления и здесь одна, но полюса у соседних молекул смотрят в противоположные стороны.

Можно сказать, что здесь в результате спонтанного нарушения симметрии вся система распадается на две подсистемы молекул – в одной полюса всех магнитиков сориентированы в одну сторону, а в другой – в противоположную. То есть произошло «двуделение» системы, при котором, однако совокупное распределение магнитных зарядов не изменилось и осталось нейтральным… Достаточно очевидно, наверное, что на примере данного физического явления можно одновременно наблюдать эффекты раздвоения и уменьшения симметрии (созвучные, возможно, с идеями Паули). Чтобы стало понятнее, каким образом этот пример с антипараллельным расположением осей у соседних частиц также оказывается весьма созвучен и с механизмом Хиггса, следует сделать дополнительные пояснения.

Поскольку поле Хиггса демонстрирует свойства сверхтекучей жидкости, а сверхтекучая жидкость, состоящая из электрических зарядов, является сверхпроводником, близкие связи между физикой сверхпроводимости и физикой хиггсова поля всегда были общеизвестны. Но самое, возможно, главное, что именно физика сверхпроводников на сегодняшний день предоставляет и единственный пример экспериментально наблюдаемого механизма Хиггса. В 1981 году сотрудники Белловских лабораторий Литтлвуд и Варма показали [4], что неожиданные особенности в свойствах сверхпроводника диселенида ниобия (NbSe₂) теоретически можно трактовать как действие «бозона Хиггса». Или, иначе говоря, как появление дополнительной инертной массы у куперовских пар, то есть пар взаимно притягивающихся электронов, имеющих антипараллельные спины и обеспечивающих сверхтекучесть электронного газа в проводнике.

***

Самое примечательное в данном примере то, что он наглядно демонстрирует специфику физических интерпретаций для хорошо работающей математики. На самом деле никакого «бозона Хиггса» здесь конечно нет, а есть общий, как выяснилось, для всех сверхпроводников механизм осцилляции расстояния между электронами в куперовской паре. Случилось так, что этот механизм очень хорошо описывается математикой хиггсовой модели для появления массы у частиц. Формулируя иначе, и реальность частиц может оказаться такова, что хиггсова модель предсказывает вовсе не трудноуловимые бозоны, а новые, пока еще не выявленные особенности осцилляций в природе электромагнетизма и слабых взаимодействий. И нельзя исключать, что понимание этого достаточно принципиального нюанса неразрывно связано с разрешением других загадок, давно озадачивающих науку.

Правда, прежде чем подступаться к их решению, для начала необходимо вспомнить о самом факте существования таких загадок. Ибо не только обычные люди, далекие от физики, но и профессионалы-ученые в большинстве своем настолько уже с этими тайнами свыклись, что считают их просто данностью природы, не требующей объяснения. Загадок такого рода все еще довольно много, но именно сейчас желательно вспомнить об одной из фундаментальных – о тайне равенства электрических зарядов у протона и электрона, то есть главных кирпичиков, образующих всю известную человеку материю во вселенной. Достоверно известно, что протон и электрон представляют собой объекты, чрезвычайно разные по своим свойствам, таким как размер, масса, состав, взаимодействие с другими частицами. И при этом электрон, масса которого в 1836 раз меньше массы протона, имеет абсолютно такой же как у протона электрический заряд, отличающийся лишь по знаку. Физические эксперименты высочайшей точности подтверждают это равенство с совпадением до последней доступной измерениям цифры. Однако теория совершенно не в силах объяснить, откуда берется столь поразительное точнейшее совпадение.

Причем это далеко еще не вся загадка. На основе имеющихся у астрофизиков результатов можно подсчитать, что суммарное количество протонов в поддающейся наблюдениям вселенной составляет целое число длиной 80 десятичных цифр. В точности знать все эти 80 позиций человеку, конечно же, не дано, однако не это главное. Важно здесь то, что количество электронов во вселенной тоже выражается числом длиной в 80 цифр. И по всей вероятности два этих невообразимо гигантских целых числа каким-то непостижимым образом оказываются – цифра за цифрой – равны между собой. Совпадение в цифрах самых младших разрядов наука гарантировать не может, однако отличия должны быть неощутимо малы. Точное равенство количества протонов и электронов в природе следует из того, что суммарный электрический заряд вселенной, насколько это известно астрофизике, равен нулю. Как объяснить это еще одно фантастическое совпадение, ученые тоже не знают…

Но, быть может, если ответы на данные вопросы не удается отыскать традиционными методами науки, то имеет смысл подойти к ним как-то нестандартно? Скажем – вслед за Паули – через сновидения?

←Ранее

↑На уровень вверх↑

Далее→

[1] Peter W. Higgs. «Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons». Physical Review Letters 13: 508-509. (1964)

[2] F. Englert and R. Brout. «Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons». Physical Review Letters 13: 321-323. (1964)

[3] G. S. Guralnik, C. R. Hagen, and T. W. B. Kibble. «Global Conservation Laws and Massless Particles». Physical Review Letters 13: 585-587. (1964)

[4] P. B. Littlewood and C. M. Varma. «Gauge-Invariant Theory of the Dynamical Interaction of Charge Density Waves and Superconductivity», Phys. Rev. Lett. 47, 811–814 (1981)