Как бы далеко мы не углубились в рассмотрение цепочки вопросов о материи и силах, действующих в природе, все ответы сводятся к стандартной модели элементарных частиц. На каждой конференции по физике высоких энергий, начиная с конца 70-х гг., экспериментаторы докладывают о все большей точности совпадения результатов опытов с предсказаниями этой модели. Казалось бы, что физики, занимающиеся высокими энергиями, должны испытывать чувство удовлетворения. Но почему же тогда мы находимся в состоянии уныния, как будто под влиянием меланхолического блюза?
      Прежде всего, стандартная модель описывает электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия, но оставляет в стороне четвертую силу, а в действительности, первую из всех, ставших известными человеку, – силу тяготения. Такой пропуск – не просто результат забывчивости: как мы увидим, при попытке описывать гравитацию на том же языке, который мы используем в стандартной модели для описания других взаимодействий, т.е. на языке квантовой теории поля, возникают непреодолимые математические трудности. Во-вторых, хотя сильные ядерные взаимодействия и включеныв стандартную модель, они все-таки выглядят не составной частью единой картины, а стоят особняком от электромагнитных и слабых взаимодействий. В-третьих, хотя электромагнитные и слабые взаимодействия и рассматриваются в рамках стандартной модели единым образом, между этими взаимодействиями существуют очевидные различия (например, в обычных условиях слабые ядерные силы во много раз меньше электромагнитных сил). У физиков есть общие представления о том, как возникает различие между электромагнитными и слабыми взаимодействиями, но все же мы не до конца понимаем причины этого различия. Наконец, даже если отвлечься от проблемы объединения четырех сил природы, все равно в самой стандартной модели есть множество свойств, которые не вытекают из фундаментальных принципов (как бы нам хотелось), а просто берутся из эксперимента. Среди свойств, кажущихся произвольными, – список частиц, существующих в рамках модели, число параметров, таких как отношения масс частиц, и даже сами симметрии. Можно без труда представить себе модель, в которой одно из этих свойств или все сразу будут иными, чем в стандартной модели.
      Конечно, стандартная модель явилась огромным шагом вперед по сравнению с путаницей приближенных симметрий, плохо сформулированных динамических предположений и голых фактов, которую изучали в институте физики моего поколения. Но очевидно, что стандартная модель не является окончательным ответом, и чтобы выйти за ее пределы, нужно понять все ее недостатки.
      Тем или иным образом все проблемы стандартной модели упираются в явление, названное спонтанным нарушением симметрии. Открытие этого явления, сначала в физике твердого тела, а затем и в физике частиц, стало одним из великих достижений науки ХХ в. Главный успех был достигнут в объяснении различий между слабыми и электромагнитными взаимодействиями, поэтому для объяснения явления спонтанного нарушения симметрии лучше всего начать с электрослабой теории.
      Эта теория является частью стандартной модели, имеющей дело со слабыми и электромагнитными взаимодействиями. Она основана на точном принципе симметрии, утверждающем, что законы природы не меняют своей формы, если заменить поля электронов и нейтрино на смешанные поля, например, взять одно поле, состоящее на 70 % из нейтрино и на 30 % из электрона, и другое поле, состоящее на 30 % из нейтрино и 70 % из электрона. При этом одновременно необходимо в тех же пропорциях перемешать поля других семейств частиц, например, кварков uи d. Такой принцип симметрии называется локальным, поскольку предполагается, что законы природы остаются неизменными, даже если смесь полей будет меняться со временем или от точки к точке в пространстве. Но есть и другое семейство частиц, существование которого диктуетсяуказанным принципом симметрии, примерно таким же образом, как существование гравитационного поля диктуется симметрией между разными координатными системами. Это семейство состоит из фотона и частиц W, Z, причем эти поля также должны перемешиваться друг с другом, если мы перемешиваем поля электронов и нейтрино и поля кварков. Обмен фотонами обуславливает электромагнитные силы, а обмен частицами Wи Zгенерирует слабые ядерные силы, так что симметрия между электроном и нейтрино является также симметрией между электромагнитными и слабыми ядерными силами.
      Однако подобная симметрия определенно отсутствует в окружающей нас природе, и поэтому-то ее так долго не могли открыть. Например, электроны и частицы W, Zобладают массами , а нейтрино и фотоны не имеют массы. (Слабые силы во много раз слабее электромагнитных именно благодаря большой массе W, Z.) Иными словами, симметрия, связывающая электроны, нейтрино и другие частицы, есть свойство основных уравнений стандартной модели, определяющих свойства элементарных частиц, но в то же время, эта симметрия не выполняется для решенийэтих уравнений, т.е. для свойств самих частиц.
      Чтобы понять, как это возможно, чтобы уравнения имели симметрию, а решения – нет, предположим, что наши уравнения полностью симметричны относительно двух типов частиц (например, u-, d-кварков), и мы хотим найти решения этих уравнений, определяющие массы обеих частиц. Можно было бы предположить, что симметрия между двумя типами кварков приведет к тому, что и их массы окажутся одинаковыми, но это не единственная возможность . Симметрия уравнений не исключает возможности того, что решение будет давать массу u-кварка больше, чем масса d-кварка, но при этом обязательно должно существовать второерешение уравнений, дающее массу d-кварка на столько же большую массы u-кварка. Таким образом, симметрия уравнений необязательно должна отражаться в симметрии каждого отдельно взятого решения этих уравнений, а лишь во всейсовокупности решений. В этом простом примере реальные свойства кварков будут соответствовать одному или другому решению, демонстрируя нарушение симметрии исходной теории. Заметим, что на самом деле безразлично, какое из двух решений реализуется в природе, если единственной разницей между кварками uи dявляется разница в их массах, тогда разница между двумя решениями будет соответствовать тому, какой из кварков мы назовем u, а какой d. Природа, как мы ее знаем, соответствует одному решению всех уравнений стандартной модели, при этом безразлично какому, если только все решения связаны точными принципами симметрии.
      В подобных случаях говорят, что симметрия нарушена, хотя лучше было бы говорить, что симметрия «спрятана», так как уравнения продолжают обладать симметрией, и именно уравнения определяют свойства частиц. Описанное явление называется спонтанным нарушением симметрии, так как ничто не нарушает симметрию уравнений теории, а нарушение симметрии возникает спонтанно в различных решениях уравнений.
      Красота наших теорий во многом определяется принципами симметрии. Именно поэтому первые работы по спонтанному нарушению симметрии в начале 60-х гг. вызвали столь большой резонанс. Перед нами вдруг открылось, что в законах природы есть значительно больше симметрии, чем это кажется на основе анализа свойств элементарных частиц. Нарушенная симметрия – вполне платоновское понятие: та реальность, которую мы наблюдаем в наших лабораториях есть лишь искаженное отражение более глубокой и более красивой реальности уравнений, отображающих все симметрии теории.
      Обычный постоянный магнит является хорошим реалистичным примером нарушенной симметрии. (Этот пример особенно подходит потому, что идея спонтанного нарушения симметрии появилась впервые в квантовой физике в 1928 г., в построенной Гейзенбергом теории постоянного магнетизма.) Уравнения, определяющие поведение атомов железа и магнитное поле в магните, нагретом до очень высокой температуры (скажем, 800 °С), обладают точной симметрией по отношению ко всем направлениям в пространстве: ничто в этих уравнениях не отличает север от юга или восток от запада. Однако если кусок железа охладить ниже 770 °С, он внезапно приобретает определенным образом направленное магнитное поле , нарушая тем самым симметрию между направлениями. Расе крохотных существ, родившихся и проживших всю жизнь внутри постоянного магнита, потребовалось бы много времени на то, чтобы осознать, что истинные законы природы обладают полной симметрией относительно разных направлений в пространстве, и выделенное направление возникает только потому, что спины атомов железа спонтанно выстраиваются в одну сторону, создавая магнитное поле.
      Подобно существам внутри магнита, мы недавно обнаружили симметрию, которая нарушается в нашейВселенной. Эта симметрия связывает слабые и электромагнитные силы , а ее нарушение проявляется, например, в разнице между безмассовым фотоном и очень тяжелыми частицами Wи Z. Большая разница между нарушением симметрии в стандартной модели и в магните заключается в том, что происхождение намагниченности хорошо известно. Она возникает за счет известных сил взаимодействия между соседними атомами железа, стремящимися выстроить свои спины параллельно друг другу. Стандартная модель гораздо менее изучена. Ни одна из известных сил, входящих в стандартную модель, недостаточно велика, чтобы принять на себя ответственность за нарушение симметрии между слабыми и электромагнитными взаимодействиями. Главное, чего мы все еще не знаем о стандартной модели, – это что является причиной нарушения электрослабой симметрии.
      В первоначальной версии стандартной теории слабых и электромагнитных взаимодействий нарушение симметрии между этими взаимодействиями было приписано новому полю, специально для этой цели введенному в теорию. Как и магнитное поле в обычном постоянном магните, это поле может спонтанно поворачиваться, указывая некоторое направление, правда, не в обычном пространстве, а на воображаемом циферблате, направление стрелок на котором отличает электроны от нейтрино, фотоны от частиц W, Zи т.п. То значение поля, при котором нарушается симметрия, принято называть вакуумным значением, так как поле принимает это значение в пустоте, в области вдали от воздействия других частиц. После четверти века исследований мы так и не знаем, верна ли такая простая картина спонтанного нарушения симметрии, но пока эта картина остается наиболее приемлемым объяснением.
      Не первый раз, желая удовлетворить некоторым требованиям теории, физики предполагают существование новых полей. В начале 30-х гг. беспокойство ученых вызывал закон сохранения энергии в процессе бета-распада радиоактивных ядер. В 1930 г., для того чтобы восстановить баланс энергии, казалось бы, бесследно теряемой в этом процессе, Вольфганг Паули предположил, что существует частица с подходящими свойствами, названная им нейтрино, которая и уносит недостающую энергию. Трудноуловимое нейтрино было в конце концов экспериментально обнаружено более чем два десятилетия спустя. Утверждать существование чего-то, что еще никогда не наблюдалось, – дело рискованное, но иногда приносящее успех.
      Как и другие поля в квантово-механической теории, это новое поле, ответственное за нарушение симметрии электрослабых взаимодействий, должно переносить энергию и импульс в виде сгустков или квантов. Электрослабая теория утверждает, что, по крайней мере, один из этих квантов должен наблюдаться как новая элементарная частица. За несколько лет до того, как Салам и я разработали теорию объединения слабых и электромагнитных сил, основанную на идее спонтанного нарушения симметрии, ряд теоретиков дал математическое описание простых примеров подобного нарушения симметрии . Особенно ясно это удалось сделать в 1964 г. Питеру Хиггсу из Эдинбургского университета. Поэтому новую частицу, с необходимостью возникшую в первоначальной версии электрослабой теории, назвали хиггсовской частицей.
      Никто еще не обнаружил хиггсовскую частицу, но это не противоречит теории: хиггсовская частица и не могла бы быть обнаружена в сделанных до сих пор экспериментах, если ее масса больше пятидесяти масс протона, что вполне возможно. (К сожалению, электрослабая теория молчит в отношении точного значения массы хиггсовской частицы, только ограничивая ее значение сверху числом в один триллион электрон-вольт, т.е. в тысячу раз больше массы протона.) Необходимы новые эксперименты, чтобы проверить, действительно ли существует хиггсовская частица, а может, и несколько таких частиц с отличающимися свойствами, и установить их массы.
      Важность этих проблем выходит за рамки вопроса о характере нарушения электрослабой симметрии. Теория электрослабых взаимодействий дала нам понимание того, что все частицы стандартной модели, за исключением хиггсовских частиц, приобретают свои массы за счет нарушения симметрии между слабыми и электромагнитными силами. Если бы мы могли каким-то способом выключить это нарушение симметрии, то электрон, частицы W, Zи все кварки стали бы безмассовыми, как фотон или нейтрино. Поэтому загадка происхождения масс элементарных частиц есть часть проблемы понимания механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии. В первоначальной версии стандартной модели хиггсовская частица – единственная, масса которой непосредственно входит в уравнения теории, нарушение электрослабой симметрии придает всем другим частицам массы, пропорциональные массе хиггсовской частицы. Но у нас нет уверенности, что все обстоит так просто.
      Выяснение механизма нарушения электрослабой симметрии важно не только в физике, но и при попытках понять раннюю историю нашей Вселенной. Так же, как можно уничтожить всякую намагниченность куска железа и восстановить симметрию между различными направлениями, всего лишь нагрев этот кусок выше 770 °С, так же и симметрию между слабыми и электромагнитными силами можно восстановить, подняв температуру в лаборатории до нескольких миллионов триллионов (10 15) градусов (порядка 100 ГэВ в энергетических единицах). При таких температурах симметрия будет уже не скрытой, а будет явно проявляться в свойствах всех частиц стандартной модели. (Например, при таких температурах электроны, W, Z и все кварки станут безмассовыми.) Подобные температуры порядка 10 15K невозможно создать в лаборатории, их даже не найти в центре самых горячих звезд. Но в соответствии с простейшей версией общепринятой космологической теории Большого взрыва примерно 10–20 миллиардов лет тому назад существовал момент, когда температура Вселенной была бесконечно велика. Примерно через 10 ?10с после этого начального момента температура Вселенной упала до 10 15K, и с этого времени нарушилась симметрия между слабыми и электромагнитными силами.
      Скорее всего, это нарушение симметрии не произошло одномоментно и везде одинаково. В более знакомых нам примерах «фазовых переходов», скажем, замерзании воды или намагничивании куска железа, переход может произойти в одном месте чуть раньше или чуть позже, чем в другом, и происходить в разных местах чуть по-разному, что видно, например, при образовании отдельных маленьких кристалликов льда или магнитных доменов с разными направлениями намагниченности. Такого рода усложнения при электрослабом фазовом переходе могут привести к разным наблюдаемым эффектам, например, повлиять на распространенность легких элементов, созданных несколькими минутами спустя. Однако понять это невозможно, пока не понят сам механизм нарушения электрослабой симметрии.
      Нарушение симметрии между слабыми и электромагнитными взаимодействиями действительно существует, так как теория, основанная на этом принципе, действует, т.е. позволяет сделать много успешных предсказаний о свойствах частиц Wи Zи о переносимых ими силах. Но мы не можем быть до конца уверены, что электрослабая симметрия нарушается вакуумной величиной какого-то поля, введенного в теорию, или что хиггсовская частица реально существует. Что-то обязательно должно быть включено в электрослабую теорию, чтобы нарушить симметрию, но вполне возможно, что это нарушение обусловлено непрямым воздействием каких-то сверхсильных взаимодействий нового типа , которые не действуют на обычные кварки или электроны и нейтрино, и поэтому еще не обнаружены. Подобные теории были развиты еще в конце 70-х гг. , но в них возникают свои проблемы. Задача строящихся сверхмощных ускорителей – разрешить эту загадку.
      На этом история спонтанного нарушения симметрии не кончается. Эта идея сыграла свою роль при попытке объединить в рамках единой схемы слабые и электромагнитные взаимодействия с третьим – сильным ядерным взаимодействием. Стандартная модель объясняет очевидное различие между электромагнитными и слабыми взаимодействиями как результат спонтанного нарушения симметрии. Но это, очевидно, не так в отношении сильных взаимодействий. Даже на уровне уравнений стандартной модели не существует симметрии, связывающей сильные ядерные силы с электромагнитными и слабыми силами. Начиная с 70-х гг., не прекращаются поиски теории, обобщающей стандартную модель, в которой как сильные, так и электрослабые взаимодействия были бы объединены одной более широкой и спонтанно нарушенной группой симметрии .
      Есть очевидное возражение против всякой подобной попытки объединения взаимодействий.