Книга Бытия. Общая история происхождения - [23]
Концепция симметрии окажется самой общей, будут говорить о симметрии непрерывной или дискретной, локальной или глобальной, точной или приближенной – все они окажутся фундаментальными инструментами для познания динамики элементарных частиц и их полей. Без вклада Эмми Нёттер все это было бы невозможно.
Кульминацией этих усилий станет создание Стандартной модели элементарных частиц – монументальной конструкции, предоставляющей наиболее точное описание материи, которым мы теперь располагаем.
Самая успешная теория современной физики объясняет свойства материи через очень небольшое число ее компонентов: шесть кварков и шесть лептонов, организованных в три семейства. Двенадцать частиц вещества связываются вместе или взаимодействуют, обмениваясь другими частицами, служащими переносчиками сил: фотоны переносят электромагнитные взаимодействия, глюоны переносят взаимодействия сильные, векторные бозоны W и Z переносят взаимодействия слабые. У частиц вещества, лептонов и кварков, полуцелый спин (1/2), они входят в семейство фермионов, а у частиц, переносящих взаимодействия, спин целый (1), они входят в семейство бозонов. С помощью этого небольшого набора деталей возможно построить все известные формы материи, как стабильные, заполняющие нашу повседневную жизнь, так и экзотические и эфемерные, образующиеся в ускорителях, в высокоэнергетических событиях в недрах звезд или во время космических катастроф.
Эта теория немедленно получила единодушное признание, поскольку обладала колоссальной предсказательной силой. С самого момента своего появления в 1960-е годы она предсказывала существование некоторых новых элементарных частиц, регулярно с тех пор открываемых, и давала возможность с огромной точностью рассчитывать новые физические величины, которые, когда их удавалось измерить, оказывались в полном согласии с предсказанием, с точностью до десяти значащих цифр совпадающими с вычисленным значением.
Архитравом Стандартной модели служит объединение слабого и электромагнитного взаимодействий, ставших теперь двумя разными проявлениями одной и той же силы – электрослабого взаимодействия.
И все это опять-таки было следствием определенной симметрии. Первым о ней заговорил Энрико Ферми, едва только отметивший свое тридцатилетие. Благодаря своей интуиции он распознал в странностях казавшегося маргинальным явления – излучения электронов при распаде некоторых радиоизотопов – какое-то новое фундаментальное взаимодействие. Ферми предположил, что между этим новым взаимодействием и электромагнетизмом есть изрядная формальная аналогия, и воспользовался этой аналогией, чтобы описать новое взаимодействие и вычислить его константу связи.
Многие годы его так и называли: “взаимодействие Ферми”. Название сменилось только много позже, чтобы подчеркнуть малость этой самой константы связи G, определяющей интенсивность взаимодействия, и это она в честь своего первооткрывателя стала носить его имя – “константа Ферми”.
Революционная идея молодого физика открыла путь тому самому объединению электромагнитных сил со слабым ядерным взаимодействием, которое тридцать лет спустя легло в основу Стандартной модели фундаментальных взаимодействий.
В 1865 году Джеймс Клерк Максвелл опубликовал уравнения, ставшие фундаментом для теории, которая объединила электрические и магнитные явления: так возник электромагнетизм. По прошествии века история повторилась. В конце шестидесятых годов прошлого века появилась новая теория стараниями Стивена Вайнберга, Шелдона Глэшоу и Абдуса Салама, при определяющем вкладе Герарда Хоофта. Электромагнетизм и слабые взаимодействия оказались проявлениями одного и того же поля, и с тех пор их стали называть электрослабыми.
В 1983 году Карло Руббиа открыл предсказанные теорией векторные бозоны W и Z, и это стало окончательным триумфом Стандартной модели.
Но под пеленой успеха скрывалась глубокая трещина, внутренняя слабость теории, которая в любой момент могла обернуться переламыванием архитрава и крушением всего здания.
Ее обнаруживал один простой вопрос: как могло случиться так, что два взаимодействия, столь различные между собой, оказывались проявлениями одного и того же поля? Радиус действия электромагнитного взаимодействия бесконечен, тогда как слабое взаимодействие проявляется только на крошечных внутриядерных расстояниях. Один из общих законов физики гласит, что радиус какого-либо взаимодействия обратно пропорционален массе переносящей его частицы. Масса фотона равна нулю, и поэтому в электромагнитное взаимодействие могут быть вовлечены частицы, сколь угодно далекие одна от другой. Напротив, бозоны W и Z очень массивны, в 80–90 раз тяжелее протона, и у них радиус действия очень мал. Слабое взаимодействие возможно только внутри ядер, и потому мы смогли узнать о его существовании только совсем недавно.
Но в таком случае как же может фотон, не имея массы, переносить то же электрослабое взаимодействие, что и бозоны W и Z? Что отличает бозоны W и Z от фотона? Что в точности мы называем массой?
Красота нарушенной симметрии
Коммуна Кастельфранко-Венето – одно из многих тайных сокровищ Италии. Здесь сохраняется изначальная структура: города-крепости, выросшего за стенами, которые его защищали. В центре города, как и полагается, стоит дуомо – красивое неоклассическое здание. Это церковь умеренных размеров – в ней нет ничего напоминающего большую базилику. Но дух захватывает, стоит только зайти внутрь и пройти к часовне Костанцо, справа от пресвитерия. Над алтарем возвышается “Мадонна Кастельфранко” Джорджоне – шедевр художника, родившегося в этом городе, чей родной дом на площади неподалеку до сих пор открыт для посетителей.
