Лоуренс Краусс - Таємниці походження всесвіту

Можливо, ви не розумієте, як усе це, яким би цікавим воно не було, пов’язане з оповіддю, на якій наша увага була зосереджена досі, а саме з розумінням фундаментальних сил природи. Завдячуючи нашому післязнанню, цей взаємозв’язок стане очевидним. Проте в заплутаному та збентеженому світі фізики елементарних частинок 1950-1960-х років дорога до прозріння була зовсім не такою прямою.

1956 року Йоїтіро Намбу, який нещодавно переїхав до Чиказького університету, прослухав семінар Роберта Шріффера, присвячений тому, що стане теорією надпровідності БКШ, і він справив на нього глибоке враження. Як і більшість інших тогочасних представників фізики елементарних частинок, він сушив голову над тим, яке місце посідають добре відомі частинки, з яких складаються атомні ядра, себто протони й нейтрони, у зоопарку елементарних частинок і джунглях взаємодій, пов’язаних з їхнім утворенням і розпадом.

Як і інші, Намбу був вражений неймовірною близькістю мас протона й нейтрона. Йому, як до нього Янгу та Міллзу, здавалося, що такий результат має бути наслідком якогось базисного принципу природи. Проте Намбу припускав, що ключову підказку може надати приклад надпровідності, зокрема виникнення нового характеристичного енергетичного масштабу, пов’язаного з енергією збудження, необхідною для зламу конденсату куперівських пар.

Упродовж трьох років Намбу досліджував, яким чином цю ідею можна адаптувати до порушення симетрії у фізиці елементарних частинок. Він запропонував модель, згідно з якою аналогічний конденсат деяких полів, що могли б існувати в природі, та мінімально необхідна для створення збудження й виходу з цього конденсованого стану енергія можуть бути характеристиками великої маси/енергії, пов’язаної з протонами та нейтронами.

Незалежно один від одного Намбу та фізик Джефрі Ґолдстоун встановили, що чіткою ознакою такого порушення симетрії було б існування інших безмасових частинок, які нині мають назву бозонів Намбу – Ґолдстоуна (НҐ), чия взаємодія з іншою матерією також відображатиме природу порушення симетрії. Тут можна провести аналогію з краще знайомою системою на кшталт крижаного кристала. У випадку просторового паралельного перенесення така система спонтанно порушує симетрію, оскільки під час руху в одному напрямку все виглядає зовсім інакше, ніж при русі в іншому напрямку. Проте в такому кристалі можливі крихітні вібрації окремих атомів в околі їхніх положень спокою. Ці вібраційні моди, [8] Гармонічні коливання елементів системи з фіксованими фазовими співвідношеннями. які, як уже згадувалося вище, називаються фононами, можуть накопичувати необмежено малі обсяги енергії. У квантовому світі фізики елементарних частинок ці моди відображатимуться у вигляді безмасових частинок Намбу – Ґолдстоуна, оскільки там, де виражена еквівалентність між енергією й масою, збудження, що переносять малу або нульову кількість енергії, відповідають безмасовим частинкам.

І – хто б міг подумати! – піони, що їх відкрив Пауелл, дуже гарно підходять під цей опис. Вони не зовсім безмасові, проте значно легші за всі інші сильно взаємодійні частинки. Їхні взаємодії з іншими частинками мають властивості, яких слід було б очікувати від НҐ-бозонів, які могли б існувати, якби в природі існував який-небудь здатний руйнувати симетрію феномен із розмірністю енергії збудження, яка могла б відповідати масштабам маси/енергії протонів і нейтронів.

Але, попри важливість праці Намбу, він і майже всі його колеги не помітили спорідненого, проте значно глибшого наслідку спонтанного порушення симетрії в теорії надпровідності, який пізніше надав ключ для розкриття істинної таємниці сильних і слабких ядерних сил. Намбу зосередився на порушенні симетрії під впливом надпровідності, проте аналогії, які він та його колеги провели з нею, були неповні.

Схоже, у нас значно більше спільного з тими крихітними фізиками з крижаного кристала на віконному склі, ніж ми коли-небудь собі уявляли. І, що, можливо, справедливо й для тих крихітних фізиків, ця короткозорість була зовсім не очевидною для «великої» фізичної спільноти.

Завдяки післязнанню помилки минулого можуть здаватися очевидними, проте не забуваймо, що предмети в дзеркалі заднього огляду нерідко ближчі, аніж здається. Легко критикувати наших попередників за те, що вони впустили, утім, те, що ставить нас у глухий кут сьогодні, може бути очевидним для наших нащадків. Працюючи на передньому краї, ми ходимо шляхом, часто вкритим імлою.