В физике последнего времени играют важнейшую роль и так называемые «внутренние симметрии». Одна из них - «калибровочная инвариантность». Не вдаваясь в сложные объяснения, скажу, что она обеспечивает, в частности, справедливость такого важного закона, как закон Кулона. Даже малое нарушение калибровочной инвариантности в электродинамике несовместимо с тем, что нам известно о распространении длинных радиоволн.
Другой пример внутренней симметрии - «изотопическая инвариантность сильных взаимодействий». Она объясняет сходство целых семейств элементарных частиц, например нейтрона и протона. Обобщение этой симметрии привело физику к открытию кварков - частиц, из которых построены все сильновзаимодействующие частицы - адроны, - такие, как нейтрон, протон, пи-мезон, прежде считавшиеся элементарными.
Дальше я расскажу подробнее об этих и других внутренних симметриях. Мы увидим, что законы сохранения - закон сохранения энергии, импульса или заряда - получаются как строгое следствие различных симметрии.
Природа не терпит точных симметрии
Большинство симметрии возникает при некоторой идеализации задачи. Учет влияния более сложных взаимодействий приводит к нарушению симметрии. Например, независимость энергии атома водорода от орбитального момента становится неточной - симметрия слегка нарушается, если учитывать релятивистские поправки к движению электрона. Даже законы сохранения, связанные с пространственной симметрией, крайне мало, но все же нарушаются неоднородностью Вселенной во времени и пространстве.
Существует гораздо более важное нарушение симметрии - «спонтанное». Примеры такого нарушения встречаются на каждом шагу в обыденной жизни. Капля воды, лежащая на столе, - пример нарушения симметрии, ведь взаимодействие молекул между собой и с молекулами стола допускает более симметричное решение - вода размазана тонким слоем по столу. Но это решение для малых капель оказывается энергетически невыгодным. Таким образом, система, обладающая высокой симметрией, может иметь менее симметричные решения. Твердые тела представляют собой кристаллические решетки, и это пример нарушения не только трансляционной симметрии (относительно сдвигов), но и симметрии относительно поворотов. Однородное хаотичное расположение атомов, как в жидкости, полнее отражало бы симметрию взаимодействия. Атомное ядро представляет собой каплю нуклонной жидкости - тоже пример нарушения трансляционной симметрии.
Существуют не только сферические, но и «деформированные» ядра, имеющие форму эллипсоида, - это нарушение и трансляционной и вращательной симметрии.
Спонтанное нарушение симметрии весьма распространенное явление в макроскопической физике. Однако в физику высоких энергий оно пришло с большим запозданием. Не все физики, занимавшиеся теорией элементарных частиц, сразу приняли возможность асимметричных решений в симметричных системах. Что поделаешь - узкая специализация имеет свои теневые стороны!
Как сказывается это явление в физике элементарных частиц? Плодотворная тенденция теории элементарных частиц состоит в предположении, что на сверхмалых расстояниях царствует максимальная симметрия, но при переходе к большим расстояниям возникает спонтанное нарушение, которое может сильно замаскировать симметрию. Так, в теории электрослабого взаимодействия, объединяющего электродинамику и слабые взаимодействия, при сверхмалых расстояниях (порядка 10-16 сантиметра) существуют четыре равноценных безмассовых поля, которые при больших масштабах в силу спонтанного нарушения превращаются в три массивных W-бозона с массами порядка 100 ГэВ и один безмассовый фотон. Возникновение в системе безмассовых глюонов и кварков, массивных адронов, есть другой пример спонтанного нарушения симметрии. Эти примеры показывают, какие принципиальные свойства элементарных частиц определяются явлением спонтанного нарушения.
Спонтанное нарушение симметрии связано еще с одним очень важным явлением. Когда нарушается симметрия, то все-таки остаются следы от бывшей ранее более высокой симметрии. Это так называемые «возбуждения Гольдстоуна», по имени обнаружившего их английского физика. Когда атомы собираются в кусок твердого тела, возникает нарушение трансляционной симметрии. Но при этом остается свобода перемещения в пространстве центра тяжести всего куска в целом. Когда происходит упругое колебание с большой длиной волны, каждый маленький участок перемещается словно целое. Поэтому мы вправе ожидать, что при увеличении длины волны частота упругого колебания должна стремиться к нулю. Это действительно выполняется, частота длинноволнового колебания - частота звука, обратно" пропорциональная длине волны. Звук в твердом и жидком теле и есть простейший пример «гольдстоу-новского колебания». Вращательные состояния больших деформированных ядер тоже «гольдстоуновские колебания», на этот раз возникающие в результате нарушения вращательной симметрии, именно поэтому вращательные возбуждения ядер имеют малую частоту.
Спонтанное нарушение симметрии - хороший пример того, как разные области физики, даже далекие друг от Друга, оказывают взаимное влияние. В данном случае это влияние физики твердого тела на теорию элементарных частиц. Но можно привести не меньше и обратных примеров - современные теоретические методы исследования фазовых переходов, а также других явлений макроскопической физики пришли в нее из физики высоких энергий.
Другое направление, по которому развивалась физика, - поиски единых причин для явлений разного круга, попытки объединения различных областей физической науки.
Важный шаг на этом пути был сделан Ньютоном. Он доказал, что падение тел на Земле, движение Луны вокруг Земли и движение звезд определяются одной причиной - притяжением с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния. Он показал, что все эти явления можно количественно рассчитать с помощью сформулированных им законов механики.
Следующий, не менее грандиозный шаг сделал Джеймс Максвелл. Он получил удивительные уравнения, объединившие все явления электричества, магнетизма и оптики. Замечательный немецкий физик, один из создателей статистической физики - Людвиг Больц-ман сказал об уравнениях Максвелла: «Не бог ли начертал эти письмена?»
В начале XX века физики знали только два типа взаимодействий - электромагнитное и гравитационное. Уже первые исследования атомных ядер показали, что нейтроны и протоны, входящие в состав ядра, удерживаются силами, в десятки раз большими электромагнитных. Эти частицы связаны сильными взаимодействиями. Кроме того, были обнаружены гораздо более слабые силы между электронами, нейтрино и нуклонами (нейтронами и протонами). Эти взаимодействия ответственны за радиоактивный распад и названы «слабыми». Они вызывают, в частности, превращение свободного нейтрона в протон, электрон и антинейтрино.
До недавнего времени казалось, что между четырьмя взаимодействиями - сильным, слабым, гравитационным и электромагнитным - не существует никакой связи. В последние десятилетия усилия физиков были направлены на их объединение. Электромагнитное и слабое взаимодействия объединяются в «электрослабое». Они, как мы уже упоминали, оказались проявлениями более общего единого взаимодействия. В чем красота такого объединения?
Возникли неожиданные связи между разнородными явлениями. Так, постоянная, определявшая величину слабого взаимодействия, оказалась связанной с зарядом электрона. Теория объяснила многие явления, казавшиеся ранее загадочными.
Еще далека от завершения, но, можно надеяться, на верном пути теория Великого объединения, которая даст единое объяснение электромагнитным, слабым и сильным взаимодействиям. Согласно предсказаниям этой теории протон не стабильная частица, время распада протона на позитрон и нейтральный пион или на нейтрино и положительный пион составляет примерно 1030-1033 лет. Уже поставлен ряд опытов по проверке этого предсказания. Если распад обнаружится, то, по крайней мере, подтвердится идея Великого объединения.
В последнее время многие теоретики пытаются создать теорию Суперобъединения, которое охватило бы все четыре взаимодействия - сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
У Пастернака есть строки: «В родстве со всем, что есть, уверясь и знаясь с будущим в быту, нельзя не впасть к концу, как в ересь, в неслыханную простоту…» К сожалению, пока попытки объединения слишком сложны, и пройдет немало времени, прежде чем откроется «неслыханная простота». Картина только начала возникать. Она еще недостаточно красива и, значит, далека от истины. И тем не менее уже сейчас ясно, что мы на пути к более глубокому пониманию величественной красоты, скрытой во Вселенной.
