То же самое верно и в физике. Общим примером из физики является карандаш, балансирующий на своем острие. Это симметричное состояние, в котором, пока он балансирует на своем острие, все направления (падения) столь же хороши, как и любые другие. Но это состояние нестабильно. Когда карандаш падает, что неизбежно должно произойти, он упадет хаотически в том или ином направлении, нарушив симметрию. Но, раз уж он упал, состояние стало стабильным, но больше оно не проявляет симметрии – хотя симметрия все еще здесь, в лежащих в основании законах. Законы описывают только пространство того, что может произойти; реальный мир управляется теми же законами, включающими выбор одной реализации из множества возможностей.
Этот механизм спонтанного нарушения симметрии можно применить к симметриям между частицами в природе. Когда с симметриями происходит то, что из калибровочного принципа возникают силы природы, это приводит к различию в их свойствах. Силы становятся различимыми; они могут иметь различные области распространения и различные величины. Перед нарушением симметрии все четыре фундаментальные силы имели бесконечную область распространения, как у электромагнетизма, но после нарушения симметрии некоторые из них стали конечными, подобно двум ядерным силам. Как отмечалось, это одно из самых важных открытий физики двадцатого века, поскольку вместе с калибровочным принципом оно позволяет нам объединить фундаментальные силы, которые кажутся несоизмеримыми.
Идея объединения спонтанного нарушения симметрии с калибровочным принципом была придумана Франсуа Энглером и Робертом Броутом в Брюсселе в 1962 и, независимо, несколькими месяцами позже Петером Хиггсом из Эдинбургского университета. Ее стоило бы назвать ЭБХ-феноменом, но, к сожалению, обычно ее называют только феноменом Хиггса. (Это один из многочисленных примеров, в которых нечто в науке получает название по последней персоне, которая это нечто открыла, вместо того, чтобы по первой). Эти трое также показали, что имеется частица, чье существование является следствием спонтанного нарушения симметрии. Она называется Хиггсовым бозоном.
Несколькими годами позже, в 1967, Стивен Вайнберг и пакистанский физик Абдус Салам независимо открыли, что комбинация калибровочного принципа и спонтанного нарушения симметрии может быть использована для конструирования конкретной теории, которая объединяет электромагнитные и слабые ядерные силы. Теория носит их имя: модель Вайнберга-Салама электрослабых сил. Это была определенно унификация со следствиями, которую надо было отпраздновать; она быстро привела к предсказаниям новых явлений, которые были успешно проверены. Она предсказала, например, что должны существовать частицы – аналоги фотону, который переносит электромагнитное взаимодействие, – для передачи слабого ядерного взаимодействия. Таких частиц три с названиями W+, W- и Z. Все три были найдены и проявили предсказанные свойства.
Использование спонтанного нарушения симметрии в фундаментальной теории имело чрезвычайные последствия не только для законов природы, но и для более общего вопроса о том, что из себя представляют законы природы; до этого мы думали, что свойства элементарных частиц определяются непосредственно вечно заданными законами природы. Но в теории со спонтанным нарушением симметрии был введен новый элемент, который заключается в том, что свойства элементарных частиц зависят отчасти от истории и от окружения. Симметрия может нарушиться различными способами в зависимости от условий вроде плотности и температуры. Более общо, свойства элементарных частиц зависят не только от уравнений теории, но и от того, какое решение этих уравнений имеет отношение к нашей вселенной. Это сигнализирует об отходе от обычного редукционизма, в соответствии с которым свойства элементарных частиц вечны и устанавливаются абсолютным законом. Это открывает возможность, что многие – или даже все – свойства элементарных частиц зависят от обстоятельств и от того, какое решение законов выбрано в нашем регионе вселенной или в нашу отдельную эру. Они могут отличаться в различных регионах.[4] Они могут даже изменяться во времени.
В спонтанном нарушении симметрии имеется величина, которая сигнализирует, что симметрия нарушена и каким образом. Эта величина обычно является полем, названным полем Хиггса. Модель Вайнберга-Салама требует, чтоб поле Хиггса существовало и чтобы оно проявлялось как новая элементарная частица, именуемая Хиггсовым бозоном, который переносит силы, ассоциирующиеся с полем Хиггса. Из всех предсказаний, требуемых унификацией электромагнитных и слабых сил, только это предсказание еще не было подтверждено на опыте. Одна трудность в том, что теория не позволяет нам точно предсказать массу Хиггсова бозона, она является одной из свободных констант, которые теория требует задать извне. Было много экспериментов, направленных на поиски Хиггсова бозона, но все, что мы знаем, это что, если он существует, его масса должна быть больше, чем примерно 120 масс протона. Одной из главных целей будущих экспериментов на ускорителях является ее поиск.
В начале 1970х калибровочный принцип был применен к сильному ядерному взаимодействию, которое связывает кварки, и было найдено, что калибровочное поле также отвечает и за это. Итоговая теория названа квантовой хромодинамикой, или КХД для краткости. (Слово хромо от греческого "цвет" указывает на образное обозначение, использованное для указания на факт, что кварки бывают трех версий, которые для красоты названы цветами). КХД тоже выдержала строгий экспериментальный тест. Вместе с моделью Вайнберга-Салама она составляет основу стандартной модели физики элементарных частиц.
Открытие, что все три силы являются выражениями единого объединяющего принципа – калибровочного принципа, – является глубочайшим достижением теоретической физики частиц на сегодняшний момент. Сделавшие это люди являются настоящими героями науки. Стандартная модель является результатом десятилетий тяжелого, часто разочаровывающего экспериментального и теоретического труда сотен людей. Она была завершена в 1973 и поддержана за тридцать лет широким массивом экспериментов. Мы, физики, справедливо гордимся ею. Но рассмотрим, что произошло дальше. Все три силы теперь понимаются как выражения одного и того же принципа, и было очевидно, что они должны быть объединены. Чтобы объединить все частицы, однако, вам нужно больше симметрии, чем они все содержат. Тогда вы применяете калибровочный принцип, приводящий к трем силам. Чтобы различить все частицы и силы, вы устанавливаете их так, что любая конфигурация системы, в которой реализована симметрия, является нестабильной, тогда как стабильные конфигурации асимметричны. Это нетрудно сделать, поскольку, как я обсуждал, симметричные ситуации часто нестабильны в природе. Таким образом, симметрия, включающая все частицы вместе, будет спонтанно нарушена. Это может быть сделано так, что в итоге три силы окажутся именно с теми свойствами, с которыми они наблюдаются.
Идея великого объединения была не только в том, чтобы свести все силы вместе, но и в том, чтобы придумать симметрию, которая переводит кварки (частицы, управляемые сильным взаимодействием) в лептоны (частицы, управляемые электрослабым взаимодействием), поэтому объединение двух основных видов частиц приводит только к одному виду частиц и к одному калибровочному полю. Простейший кандидат на это великое объединение известен как симметрия SU(5). Название кодирует пять видов частиц, трансформирующихся друг в друга при симметрии: три цветных кварка каждого вида и два лептона (электрон и его нейтрино). SU(5) не только объединяет кварки и лептоны, она делает это с беспримерной элегантностью, лаконично объясняя все, что делалось в стандартной модели, и делая необходимым многое из того, что ранее было случайным. SU(5) объясняет все предсказания стандартной модели и, даже лучше, делает некоторые новые предсказания.
Одно из этих новых предсказаний заключалось в том, что должны существовать процессы, посредством которых кварки могут видоизмениться в электроны и нейтрино, поскольку в SU(5) кварки, электроны и нейтрино являются только различными проявлениями одного и того же основополагающего вида частиц. Как мы видели, когда две вещи объединяются, должны проявиться новые физические процессы, путем которых они могут переходить друг в друга. SU(5) на самом деле предсказывает такие процессы, которые сходны с радиоактивным распадом. Это чудесное предсказание, характеризующее великое объединение. Это требуется теорией и характерно только для нее.
Распад кварка на электроны и нейтрино должен был бы иметь наблюдаемые последствия. Протон, содержащий этот кварк, больше не был бы протоном; он распался бы на более простые части. Таким образом, протоны больше не являются стабильными частицами – они подвергаются разновидности радиоактивного распада. Конечно, если бы это происходило очень часто, наш мир распался бы, так как все стабильное в нем состоит из протонов. Так что, если протоны распадаются, темп распада должен быть очень малым. И это именно то, что предсказывает теория: темп менее одного такого распада каждые 1033 лет.