Лоуренс Краусс - Таємниці походження всесвіту

Тепер питання на 64 тисячі: чи може щось на зразок такого відбуватися у світі, у якому доводиться жити нам із вами? Чи можуть маси важких фотоноподібних частинок бути наслідком того, що ми насправді живемо в чомусь схожому на космічний надпровідник? Саме таке приголомшливе запитання поставив Андерсон, керуючись як мінімум аналогією зі звичайними надпровідниками.

Перш ніж зуміти відповісти на це запитання, необхідно зрозуміти невеличке формальне чаклунство, завдяки якому стає можливим виникнення маси фотона в надпровіднику.

Пригадаймо, що в електромагнітній хвилі електричне ( Е ) та магнітне ( В ) поля коливаються туди-сюди в напрямках, перпендикулярних напрямку хвилі, як показано на рисунку:

Оскільки перпендикулярних напрямків два, електромагнітну хвилю можна зобразити двома способами. Хвиля може виглядати так, як на рисунку, або ж із переставленими місцями полями Е та В. Це відображає наявність в електромагнітних хвиль двох ступенів свободи, які називаються двома різними поляризаціями.

Це є наслідком калібрувальної інваріантності електромагнетизму або, що еквівалентно, безмасовості фотонів. Проте якби фотони мали масу, це не лише порушило б калібрувальну інваріантність, а й створило б передумови для третього варіанта. Замість коливатися перпендикулярно до напрямку руху хвилі, електричне й магнітне поля могли б коливатися вздовж цього напрямку (оскільки фотони більше не рухаються зі швидкістю світла, стають можливі коливання вздовж напрямку руху цих частинок).

Проте це означає, що відповідні масивні фотони матимуть уже не два, а три ступені свободи. Як фотони в надпровідниках можуть набувати цього додаткового ступеня свободи?

Андерсон дослідив це питання в надпровідниках, і його розв’язання тісно пов’язане з описаним вище фактом. За відсутності електромагнітних взаємодій в надпровіднику є можливість спричинити невеличкі просторові варіації конденсату куперівських пар, які матимуть довільно малу енергетичну вартість, оскільки куперівські пари не взаємодіятимуть між собою. Проте якщо врахувати електромагнетизм, ці низькоенергетичні моди (які знищили б надпровідність) зникають якраз через взаємодії зарядів у конденсаті з електромагнітним полем. Ця взаємодія змушує фотони в надпровіднику поводитися так, наче вони масивні. Новий режим поляризації масивних фотонів у надпровіднику виникає у зв’язку з коливаннями конденсату у відповідь на проходження електромагнітної хвилі.

Мовою фізики елементарних частинок безмасові моди Намбу – Ґолдстоуна, що відповідають частинковим версіям мізерно малих енергетичних коливань у конденсаті, «з’їдаються» електромагнітним полем, надаючи фотонам масу й новий ступінь свободи, унаслідок чого електромагнітна сила в надпровіднику стає близькодійною.

Андерсон висловив припущення, що цей феномен – згідно з яким у надпровідниках зникають безмасовий фотон і безмасова мода Намбу – Ґолдстоуна, які поєднуються й породжують масивний фотон, – може мати стосунок до давньої проблеми створення масивних фотоноподібних янг-міллзівських частинок, які можуть бути пов’язані із сильними ядерними силами.

Тут Андерсон різко зупинився, так і залишивши висіти в повітрі припущення, що цей механізм, побудований за аналогією з надпровідниками, можна застосувати до теорії елементарних частинок. Так само різко зупинився Намбу, який розглядав спонтанне порушення симетрії у фізиці елементарних частинок із використанням аналогії з надпровідністю, проте не використав пов’язаний із надпровідністю феномен, на якому пізніше зосередився Андерсон, тобто ефект Мейснера, що надає фотонам у надпровідниках масу, тож явного застосування всіх цих ідей до фізики елементарних частинок не сталося.

Як наслідок можливі ґрунтовні наслідки надпровідності для розуміння фізики фундаментальних частинок не були швидко осягнуті фізичною спільнотою й залишилися схованими в тіні.

Утім, версія, що ми живемо в чомусь на зразок космічного надпровідника, виглядає надто натягнутою, щоб у неї можна було повірити. Зрештою, люди здатні фантазувати різні небилиці для пояснення чогось незбагненного, вигадуючи різні фантастичні та приховані причини на кшталт богів і демонів. Чи можна вважати твердження про існування в усьому просторі якогось прихованого конденсату полів, який пояснює непоясненні натомість сильні ядерні сили, хоч трохи більш правдоподібним?