Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира

В теории БКШ за основу взята идея Купера о том, что частицы могут при очень низких температурах объединяться в пары. Именно эти «куперовские пары» формируют таинственное поле, которое ввели Ландау и Гинзбургом. В то время как один электрон будет постоянно наталкиваться на атомы вокруг него, в результате чего возникнет сопротивление, в куперовской паре электроны существуют таким образом, что когда что-то отталкивает один электрон пары, другой электрон испытывает равное и противоположное притяжение (и наоборот). В результате пары электронов проскальзывают через сверхпроводник беспрепятственно.

Это прямо связано с тем, что эффективная масса фотонов внутри сверхпроводника ненулевая. Когда частицы безмассовы, их энергия прямо пропорциональна их скорости и может варьироваться от нуля до любой величины, какую вы себе только можете представить. Массивные же частицы, напротив, имеют минимальную энергию – энергию покоя, определяемую выражением E = mc². При перемещении электронов в обычном проводнике они толкаются атомами и другими электронами, их электрическое поле мягко встряхивается, при этом создаются очень низкоэнергетические фотоны, которые вы вряд ли когда-нибудь заметите. Именно постоянное излучение фотонов заставляет электроны терять энергию и замедляться, что ведет к уменьшению тока. А в теориях Ландау-Гинзбурга или БКШ фотоны получают массу, и поэтому существует определенная минимальная энергия, необходимая для их создания. Электроны, которые не имеют такого минимального количества энергии, не могут создать какие-либо фотоны и поэтому не могут терять энергию: куперовские пары проходят через вещество с нулевым сопротивлением.

Электроны, конечно, являются фермионами, а не бозонами. Но когда они собираются вместе и создают куперовские пары, они превращаются в бозоны. Мы определили бозоны как переносчиков силовых полей, которые могут скапливаться в одном месте, что отличает их от фермионов – переносчиков полей вещества, требующих места в пространстве. Как мы обсудим в Приложении 1, поля имеют свойство под названием «спин», что также отличает бозонные поля от фермионных. Все бозоны имеют спины, которые являются целыми числами: 0, 1, 2… Фермионы же имеют полуцелые спины: 1/2, 3/2, 5/2… Электрон – фермион со спином 1/2. Когда частицы собираются вместе, их спины могут складываться или вычитаться, так что пара двух электронов может иметь спин 0 или 1 – как раз столько, сколько нужно, чтобы создать бозоны.

Это очень грубое изложение теорий Ландау-Гинзбурга и БКШ, на самом деле в них много тонкостей, в теориях появляется множество разных частиц, взаимодействующих друг с другом и согласованно движущихся по правилам квантовой механики. Для наших теперешних целей ключевой момент состоит в том, что бозонное поле, заполняющее пространство, может дать массу фотонам.

Это последнее утверждение уже очень похоже на идею Хиггса. Но остается вопрос: как можно соединить идею о том, что фотоны внутри сверхпроводника имеют массу, с тем, что в основной симметрии электромагнетизма у фотона массы нет?

Эта проблема была решена несколькими людьми, в том числе американцем Филиппом Андерсоном, русским Николаем Боголюбовым и японцем Йочиро Намбу. Ключевым оказалось то, что симметрия действительно есть, но она скрыта полем, принимающим в сверхпроводнике ненулевое значение. Для этого явления используется жаргонное выражение «спонтанное нарушение симметрии»: симметрия присутствует в основных уравнениях, но частное решение этих уравнений, которое как раз нас и интересует, выглядит не очень симметричным.

Йоширо Намбу, несмотря на то что он получил Нобелевскую премию в 2008 году и за многие годы собрал множество других наград, известен в основном только среди физиков. Это несправедливо, поскольку он сделал для науки не меньше, чем его более известные коллеги. Он не только одним из первых понял, что такое спонтанное нарушение симметрии в физике элементарных частиц, он еще и первым предложил различать кварки по цвету, выдвинул идею существования глюонов и придумал, что некоторые свойства частиц можно объяснить, представив их в виде крошечных струн, и таким образом заложил основы теории струн. Физики-теоретики восхищаются идеями Намбу, но сам он не любит оказываться в центре внимания.

В течение нескольких лет я был преподавателем в Университете Чикаго и занимал офис, расположенный через холл от офиса Намбу. Мы не слишком часто разговаривали, но когда встречались, он был неизменно приветлив и вежлив. Мое самое продолжительное общение с ним состоялось, когда он однажды постучал в мою дверь и попросил помочь разобраться с электронной почтой на компьютерах отдела теории групп, которые взяли за правило выключаться на непредсказуемое время. Я не сильно ему помог, но он отнесся к этому философски. Питер Фройнд – еще один теоретик из Чикаго – считает Намбу настоящим волшебником: «В какой-то момент он вытягивает целую кучу кроликов из шляпы и высаживает их в определенном порядке, но прежде чем вы поймете, что происходит, кролики уже сидят совершенно в другом порядке и – о Боже, это невозможно – они покачиваются на своих пушистых хвостиках!». Его необыкновенная учтивость, однако, помешала ему, когда ему пришлось короткое время выполнять функции заведующего кафедрой: он с трудом мог заставить себя сказать твердое «нет» в ответ на любую просьбу и выражал свое несогласие, делая паузу, прежде чем сказать «да». Когда коллеги поняли, что ни одна из их просьб фактически не была удовлетворена, они слегка ужаснулись.