Стивен Вайнберг - Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

Однако симметрии физических законов природы не ограничены только теми изменениями, которые связаны с наблюдениями отсчета пространства и времени, как в СТО. Законы природы могут также оставаться неизменными, когда мы заменяем в наших уравнениях частицы одного типа на частицы другого типа. Например, атомное ядро состоит из частиц двух типов: протонов и нейтронов. Еще в 1930-х гг. было обнаружено, что законы, описывающие сильное взаимодействие, удерживающее эти частицы вместе в атомном ядре, не изменяют свою форму при замене протонов на нейтроны или даже при замене протонов (и нейтронов) на смешанные состояния, когда, например, частица на 30 % протон (нейтрон) и на 70 % — нейтрон (протон).

Дело не в том, что физики в 1930-е гг. уже знали законы, описывающие сильное ядерное взаимодействие. Если бы они их не знали, тогда протон-нейтронная симметрия оказалась бы только побочным эффектом. Важность симметрий состоит в том, что мы можем выявить их в экспериментах и использовать для постановки новых экспериментальных задач, даже если не знаем законы, которым они подчиняются. Например, даже не понимая природу ядерного взаимодействия, физики смогли на основании протон-нейтронной симметрии сделать вывод о том, что энергии нижних уровней ядер бора-12 и азота-12 должны быть одинаковы и равны энергии одного из возбужденных состояний углерода-12, поскольку все три этих ядерных состояния могут быть превращены одно в другое заменой протонов и нейтронов на смешанные состояния протонов и нейтронов. Зачастую симметрии — это незаменимые ключи к тому, что происходит на более фундаментальном, недоступном нам уровне.

В начале 1960-х гг. физики-теоретики вдохновились новой идеей, согласно которой природа может подчиняться гораздо более богатому разнообразию симметрий, чем мы себе представляли. Идея заключалась в том, что законы природы, выраженные в виде математических уравнений, могут обладать симметриями, которыми не обладают физические явления, описываемые решениями этих уравнений. В подобных случаях мы говорим о нарушении симметрии — симметрии могут быть строгими свойствами законов природы, но при этом они не проявляются непосредственно в физических явлениях.

Нарушение симметрии имеет физические последствия, и речь идет не только о точечных последствиях вроде протон-нейтронной симметрии, которая распределяет частицы или ядерные состояния по семействам с одинаковыми энергетическими уровнями. В 1962 г. Джеффри Голдстоун, Абдус Салам и я, развивая ранние предположения, выдвинутые Голдстоуном и Йоитиро Намбу, доказали теорему, которая описывает вероятные общие последствия нарушения симметрий. Она гласит, что в любой теории, где нарушается симметрия, например протон-нейтронная симметрия, должны существовать частицы, не обладающие массой или спином, — по одному типу таких частиц на каждую нарушенную симметрию. Подобные новые частицы, не имеющие массы, не были известны, но они не могли бы спрятаться от детекторов, поскольку для их создания не требуется даже минимальный уровень энергии. Поэтому казалось, что факт их отсутствия говорит об отсутствии вероятности существования нарушенных симметрий в природе.

Исключение из этой теоремы было найдено в 1964 г. независимо тремя группами ученых. Этими учеными были Роберт Браут и Франсуа Энглер; Джералд Гуральник, Ричард Хаген и Томас Киббл; и Питер Хиггс (Brout, Englert, Guralnik, Hagen, Kibble, Higgs — BEGHKH). Они указали, что теорема Голдстоуна не применима к определенному классу симметрий, которые называются локальными. Для этого типа симметрий преобразования, сохраняющие неизменными физические законы, могут изменяться от точки к точке в пространстве и времени. Для сохранения формы уравнений неизменной при таких преобразованиях теории с ненарушенными локальными симметриями должны содержать частицы с нулевой массой и некоторым конечным значением спина, равным постоянной Планка. Частица света фотон — одна из таких безмассовых частиц с конечным спином. Десятью годами ранее Янг Чжэньнин и Роберт Миллс описали огромный класс возможных новых локальных симметрий сильного взаимодействия, однако эти теории Янга — Миллса на тот момент не нашли какого-либо применения в реалистичных физических теориях. BEGHKH показали, что при нарушении локальной симметрии безмассовые частицы, открытые Голдстоуном и его коллегами, нужно понимать не как физические частицы, а как нечто, что придает массу частицам, которые иначе были бы безмассовыми частицами Янга — Миллса с конечным спином.