изотопической симметрией. Она объединяет между собой протон и нейтрон, позволяя рассматривать их как единую частицу — нуклон. Нуклон обладает изотопической симметрией, электромагнитное поле нарушает изотопическую симметрию. Электромагнитное поле обнаруживает, является ли данный нуклон протоном или нейтроном. Если электромагнитного поля нет, то разница меж-междуними исчезает. Можно сказать лишь, что это нуклон. Итак, гипотеза о существовании в природе нового типа взаимодействия — слабого взаимодействия — подтверждена опытом. Не следует, однако, думать, что слабое взаимодействие разрушает нейтрон, что нейтрон состоит из протона, электрона и нейтрино. Нет, нейтрон так же элементарен, как протон, но слабые взаимодействия приводят к перерождению нейтрона в три отдельных частицы, причем 0,13 % массы нейтрона превращается при этом в массу покоя электрона и в энергию движения новорожденных частиц.
Что значит быть родственниками?
Развивая идею Юкавы о поле ядерных сил и о частицах, реализующих действие этого поля, можно сказать, что слабые взаимодействия тоже связаны с существованием особого поля. Можно и оценить массу частиц, реализующих это поле. Что нужно учесть при этой оценке? Слабые взаимодействия в 1000 раз слабее электромагнитных. Они и убывают быстрее по мере увеличения расстояния. Нужно принять во внимание также, что масса частиц, представляющих поля, пропорциональна квадратному корню из отношения сил этих полей. Так ученые получили, что масса частиц поля слабого взаимодействия примерно в 30 раз больше массы протона или нейтрона. При этом спин такой частицы должен быть целым числом, то есть она должна подчиняться той же статистике Бозе — Эйнштейна, которой подчиняются фотоны — частицы, реализующие электромагнитные взаимодействия.
Предсказанные свойства новых частиц обнаружили их глубокое родство с фотонами. Естественно, возник вопрос: не принадлежит ли новая частица к тому же семейству, что и фотон? Нет ли общности между электромагнитными и слабыми взаимодействиями? Прежде чем приняться за объяснение сходства, необходимо понять причину и значение различия между новой частицей и фотоном. Главные различия в их массе. Вся масса фотона обусловлена переносимой им энергией. Он летит со скоростью света и не может изменить своей скорости, его масса покоя равна нулю. Масса покоя новой частицы равна 30 массам нуклона, она очень велика. Могут ли столь различные частицы быть родственниками?
Все ранее известные теории элементарных частиц дали бы решительный отрицательный ответ. Но теория симметрии, на основе фактов, известных в других областях физики, позволила подойти к этому вопросу глубже. Она столкнула ученых с невиданным ранее эффектом, с одним из самых мистических сюрпризов микромира. Оказалось, что один из видов нарушения симметрии — спонтанное нарушение — может придать массу частице, не имеющей массы…
Однако что такое спонтанное нарушение симметрии? Самый наглядный пример спонтанного нарушения симметрии можно увидеть за круглым банкетным столом, все места за которым заняты. Между присутствующими лежат салфетки. Картина расположения салфеток на столе совершенно симметрична. Рядом с любым человеком, справа и слева от него, лежит по салфетке. Но симметрия спонтанно нарушается, как только один из присутствующих возьмет салфетку. Он может взять любую, справа или слева. Однако теперь все должны брать салфетки с той же стороны. Если кто-нибудь поступит иначе — он оставит одного из присутствующих без салфетки, хотя не рядом с ним останется лишняя. Теперь зачастую кладут салфетки на тарелку, стоящую перед каждым посетителем, так что симметрия не может быть нарушена.
Нечто похожее (не внешне, а по существу) наблюдается в куске железа. Каждый атом железа ведет себя как маленькая магнитная стрелка. Тепловые колебания заставляют атомы принимать все возможные ориентации в пространстве, поэтому их магнитные поля ориентированы симметрично во всех направлениях и компенсируют друг друга. Такой кусок железа не обладает свойствами магнита. Но если температура падает, множество соседних атомов могут вдруг ориентировать свои магнитные поля в одинаковом направлении. Возникает спонтанное намагничивание отдельных частей куска железа. Иногда это спонтанное намагничивание может распространиться по всему куску. Тогда весь кусок железа станет магнитом.
Родственный процесс спонтанного нарушения симметрии электромагнитного поля, а следовательно, и состояний электронов внутри металла при понижении температуры, приводит к одному из поразительнейших явлений — явлению сверхпроводимости. Обычно в металлах часть электронов свободна, они движутся внутри металла, как атомы газа в сосуде, каждый независимо от других. Электроны имеют спин 1/2, подчиняются статистике Ферми — Дирака и соответствующим правилам запрета. Когда температура падает ниже определенной критической температуры, электроны внезапно группируются попарно так, что их спины оказываются скомпенсированными. Эти пары ведут себя совсем иначе. Каждая пара выступает как своеобразная частица — квазичастица — со спином, равным нулю, поэтому они подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Все пары ведут себя одинаково, и ни одна из них не может выделиться из коллектива. Они ведут себя не как газ свободных частиц, а как единая сущность, как своеобразная сверхтекучая жидкость, льющаяся сквозь металл, не взаимодействуя с его решеткой. Так возникает явление сверхпроводимости: сверхтекучая жидкость, состоящая из электронных пар, течет в металле, не испытывая сопротивления, не теряя энергию. Электрический ток в сверхпроводнике может течь вечно, не расходуя энергию. Это поразительное явление долго оставалось тайной, пока за разгадку не принялась квантовая теория.
В сверхпроводнике электроны оказываются связанными в пары, как дети, перебрасывающиеся мячом. Мяч не позволяет им разойтись слишком далеко. Для электронов этим мячом являются фотоны, которыми они обмениваются в процессе взаимной компенсации своих спинов. Этот процесс напоминает компенсацию спинов электронов при соединении двух атомов водорода в молекулу. В обоих случаях компенсация спинов осуществляется путем обмена фотонами.
Спонтанное изменение симметрии электромагнитного поля приводит не только к спариванию электронов и переходу металла в сверхпроводящее состояние, но вызывает еще одно поразительное следствие: фотоны, реализующие это поле, приобретают массу. В недрах металла рождается нигде ранее не виданная материя! Этот удивительный факт подтверждается тем, что магнитное поле может проникнуть в глубь сверхпроводника только на очень малую глубину. Попытка втолкнуть его внутрь сверхпроводника увеличением напряженности магнитного поля приводит к восстановлению симметрии внутреннего электромагнитного поля металла и разрушению сверхпроводимости. Так ученые столкнулись с невообразимым фактом: спонтанное изменение симметрии поля способно сообщить массу покоя частицам, лишенным такой массы в обычных условиях!
В 1961 году Глэшоу первым попытался использовать это при построении теории элементарных частиц. В 1967 году Вайнберг создал первую теоретическую модель, в которой слабые и электромагнитные взаимодействия объединены в определенную симметричную систему, а различия между ними вызваны спонтанным нарушением этой симметрии. При этом он основывался на работе Хиггса, который еще за три года до того показал, что спонтанное нарушение симметрии может приводить к изменениям масс различных частиц, как это происходит с фотоном при
