Вторая история также сильно впечатляет. Электроны и позитроны в коллайдере удерживаются на своих орбитах сильными магнитными полями, которые, в свою очередь, требуют большой затраты энергии. Периодически казалось, что электроны и позитроны слегка теряют регулировку, что указывало на небольшое изменение магнитных полей в коллайдере. Работник на ускорителе заметил, что эти вариации хорошо совпадают с прохождениями экспресса TGV Женева— Париж. По-видимому, возникали скачки мощности, связанные с постоянным током, которые слегка нарушали работу ускорителя. Работавший в ЦЕРНе физик из Парижа Ален Блондель рассказал мне самую забавную часть этой истории. Экспериментаторы получили реальную возможность с абсолютной достоверностью проверить эту гипотезу. Так как большинство служащих на TGV были французами, у них возникла неизбежная забастовка, так что экспериментаторы получили свободный от всплесков день!
Что стоит запомнить
• Самой важной экспериментальной установкой для изучения физики частиц является ускоритель частиц высокой энергии. Коллайдеры высокой энергии — это ускорители частиц, в которых частицы сталкиваются друг с другом. Если энергия частиц достаточно велика, то коллайдеры рождают частицы, которые слишком массивны для того, чтобы существовать в окружающем нас мире.
• Тэватрон — действующий в настоящее время коллайдер, сталкивающий протоны и антипротоны с суммарной энергией 2 ТэВ.
• Большой адронный коллайдер (БАК) в Швейцарии, энергия которого будет в семь раз больше энергии Тэватрона[110], будет способен проверить многие модели физики частиц.
Глава 9
Симметрия: важный организующий принцип
La.
La la la la.
La la la la.
La la la la la la la la la.
Simple Minds[111]
Афина выпустила из клеток полетать трех из своих сов. К несчастью, в тот день Икар оставил открытым верх своего автомобиля, и любопытные совы залетели внутрь салона. Самая озорная из них стала клевать обивку салона и немного ее поцарапала.
Увидев эти царапины, Икар ворвался в комнату Афины и потребовал, чтобы она впредь внимательнее следила за своими совами. Афина возразила, что почти все ее совы отличаются хорошим поведением, и только с одной из них нужно не спускать глаз, но к тому времени все совы уже сидели в своих клетках, и ни Икар, ни Афина не могли определить, которая из сов испортила обивку салона.
Стандартная модель работает на удивление хорошо, но только потому, что она является теорией, в которой кварки, лептоны и слабые калибровочные бозоны — заряженные W и нейтральный Z, являющиеся переносчиками слабого взаимодействия между слабо заряженной материей, — все имеют массу. Конечно, масса фундаментальных частиц критично важна для всего, что есть во Вселенной. Если бы материя была действительно безмассовой, она не могла бы создавать твердые тела, а структура и жизнь во Вселенной, которые мы знаем, никогда бы не возникли. Но слабые калибровочные бозоны и другие фундаментальные частицы в простейшей теории взаимодействий выглядят так, как будто они должны быть безмассовыми и перемещаться в пространстве со скоростью света.
Вам, может быть, покажется странным, что теория взаимодействий предпочитает нулевые массы. Почему не разрешены любые массы? Однако самая фундаментальная квантовая теория взаимодействующих полей в этом отношении непреклонна. Она явно запрещает любые ненулевые значения масс фундаментальных частиц Стандартной модели. Один из триумфов Стандартной модели — обоснование того, как решить эту проблему и создать теорию, в которой частицы имеют те массы, которые они должны иметь согласно наблюдениям.
В следующей главе мы опишем механизм, благодаря которому частицы приобретают массы, — явление, известное как механизм Хиггса. А в этой главе мы обсудим важное понятие симметрии. Симметрия и нарушение симметрии позволяют определить, каким образом Вселенная перешла из состояния бесструктурной точки к наблюдаемой сейчас сложной структуре. Механизм Хиггса тесно связан с симметрией, в частности с нарушенной симметрией. Понимание того, как элементарные частицы приобретают массы, требует знакомства с этими важными идеями.
Вещи, которые изменяются, оставаясь прежними
Для большинства физиков симметрия — священное слово. Можно предположить, что и другие сообщества людей высоко ценят симметрию, так как и христианский крест и иудейская менора, и колесо кармы в буддизме, и мусульманский полумесяц, и индуистская мандала — все обладают симметрией (рис. 56). Говорят, что некая вещь обладает симметрией, если вы можете манипулировать этой вещью, например вращать ее, отражать в зеркале или менять местами отдельные части, и при этом новая конфигурация неотличима от исходной. Например, если вы поменяете местами две одинаковые свечи в меноре, вы не увидите разницы. Отражение креста в зеркале идентично самому кресту.
Если мы говорим о математике, физике или мире в целом, мы можем совершать преобразования, которые при наличии симметрии, кажется, не меняют ничего. Система обладает симметрией, если при обмене местами ее компонент, отражении ее в зеркале или при вращении на полный оборот не заметно никакой разницы, если посмотреть на систему снова после преобразований.
Часто симметрия является статическим свойством. Например, симметрия креста не включает времени. Однако физики часто предпочитают описывать симметрии с помощью так называемых преобразований симметрии — манипуляций, которые можно совершить с системой, не изменяя ни одного из ее наблюдаемых свойств. Например, вместо того, чтобы говорить, что свечи в меноре эквивалентны, можно сказать, что менора не изменит своего вида, если поменять местами две свечи. На самом деле, чтобы заявить, что имеется симметрия, необязательно реально менять свечи местами. Если мысленно поменять свечи, не будет видно никакой разницы. Иногда для простоты я буду описывать симметрию именно таким образом.
Мы все знакомы с примерами симметрии не только в науке и священных символах, но и в светском искусстве. Симметрию можно обнаружить в большинстве произведений живописи, скульптуры, в архитектурных сооружениях, в музыке, танце и поэзии. Возможно, самым поразительным в этом отношении является исламское искусство с его богатым использованием симметрии в архитектуре и орнаментальном искусстве, что может подтвердить каждый, видевший дворец Тадж Махал. Здание не только выглядит одинаково со всех сторон, оно идеально отражается в спокойной глади воды длинного бассейна перед входом во дворец. Даже деревья были посажены так, чтобы сохранить симметрии монумента. Когда мне довелось быть там, я заметила гида, показывающего некоторые точки симметрии, и попросила его показать мне остальные. Я осмотрела здания с удивительных точек, с трудом карабкаясь по каменистой кладке на углу площади, для того чтобы увидеть все симметрии, которыми обладает монумент.
В разговорной речи люди часто отождествляют симметрию с красотой. Действительно, определенное восхищение симметрией возникает из регулярности и аккуратности, которые она обеспечивает. Симметрия также помогает процессу обучения, так как повтор в пространстве или во времени создает в нашей голове прочные образы. Запрограммированный отклик мозга на симметрию и ее явная эстетическая привлекательность во многом являются причиной того, что мы окружаем себя симметрией.
Однако симметрии возникают не только в живописи и архитектуре, но и в природе, причем без всякого вмешательства человека. Поэтому вы так часто сталкиваетесь с симметриями в физике. Цель физики — связать друг с другом различные величины так, чтобы на основе наблюдений можно было делать предсказания. В этом смысле симметрия является естественным участником игры. Если физическая система обладает симметрией, вы можете описать систему на основе меньшего числа наблюдений, чем если бы у системы не было симметрии. Например, если имеются два тела с одинаковыми свойствами, я буду знать физические законы, управляющие поведением одного из тел, если я уже исследовала поведение другого. Так как два тела эквивалентны, я знаю, что они должны вести себя одинаково.
В физике существование преобразования симметрии в системе означает, что существует определенная процедура перегруппировки системы, оставляющая неизменными все ее измеримые физические свойства[112]. Например, если система обладает вращательной и трансляционной симметриями, двумя хорошо известными примерами симметрий пространства, то физические законы выглядят одинаково во всех направлениях и во всех местах. Вращательная и трансляционная симметрии говорят, например, что не имеет значения, в какую сторону вы смотрите или где вы находитесь в момент, когда вы ударяете бейсбольной битой по мячу, — если во всех случаях приложенная сила одинакова, мяч будет вести себя одинаково. Любой эксперимент будет приводить к одному и тому же результату, если вы повернете свою установку или повторите измерение в другой комнате или другом месте.
