Israeli Independent Academy for Development of Sciences (IIADS)

Израильская Независимая Академия Развития Науки (ИНАРН)  

האקדמיה העצמאית לפיתוח מדע בישראל (אעפמי)

Регистрационное удостоверение №580396224 от 28.10.2003, действует в соответствии с уставом от 19.10.2003 г.

Асимметрия спасает мир

Профессор Лев Прейгерман

Аннотация. Неукротимое стремление к симметрии является фундаментальным законом Природы, который действует на всех уровнях материального мира. С другой стороны, чем выше степень симметрии любой системы, тем ниже ее упорядоченность, уровень организации и функциональность. Абсолютная симметрия эквивалентна полному хаосу. Это значит, что любая материальная система и Вселенная в целом должны были бы быть обречены на гибель и небытие. Однако, вопреки этому, Вселенная не только существует, но непрерывно развивается в направлении повышения своей организации. Это можно объяснить лишь тем, что во Вселенной изначально существует также некая сила, нарушающая ее симметрию, которая противостоит указанному стремлению материального мира к хаосу. Действительно, еще в начале прошлого столетия физики пришли к выводу, что Вселенная расширяется, т.е. находится в процессе развития. Любое развитие предполагает наличие начала, момента рождения. Это значит, что рождение и дальнейшее развитие Вселенной стало возможным лишь благодаря нарушению симметрии ее начального состояния, так называемого первоначального «толчка» или большого взрыва. Согласно современной квантовой стандартной теории поля, этому способствовало так называемое поле Хиггса. В настоящей статье рассматривается механизм начала функционирования Вселенной в условиях действия поля Хиггса.

Ключевые слова: Симметрия, закон симметрии, асимметрия, калибровочные поля, частицы и поле Хиггса, структуризация. Масса элементарных частиц.

Понятие «Симметрия» происходит от греческого слова «Symmetric», что значит соразмерность, равноправие, то есть однородность, неотличимость. В самом общем случае речь идет об инвариантности физических законов, а, точнее, уравнений, которыми эти законы описываются, относительно тех или иных преобразований (физическая симметрия) [1,2,3].

Согласно теореме Неттер, симметрии уравнения, преобразование которого характеризуется непрерывным изменением одного какого-либо параметра, соответствует сохранение той или иной физической величины. Отсюда следует, что симметрия накладывает определенные ограничения на возможное поведение систем и, тем самым, препятствует их изменению и развитию.

Так, например, фундаментальные в материальном мире законы сохранения скорости, энергии, импульса и момента количества движения являются следствием симметрии физических законов относительно непрерывных преобразований пространства-времени. Сохранение четности следует из симметрии физических законов относительно дискретных преобразований пространства-времени, а законы сохранения зарядов, изотопического спина, странности, очарования и пр. являются проявлением внутренней симметрии уравнений квантовой теории поля, связанной с квантовыми свойствами элементарных частиц [1,2,3]. Все законы сохранения, как известно, действуют лишь в замкнутых, т.е. в не взаимодействующих системах, в условиях их симметрии. В реальных условиях симметрия фактически отсутствует. В противном случае во Вселенной отсутствовали бы взаимодействия, и не было бы самой Вселенной.

Порядок и инициируемые им изменения возникают как результат отклонения от симметрии. Любая упорядоченная система неустойчива, т.к. неукротимо стремится к беспорядку и симметрии. Защитные механизмы могут замедлить этот процесс, но остановить его они не в состоянии. Именно этим объясняется большая распространенность симметрии в Природе. Это и симметрия кристаллов, и симметрия молекул, спиральная симметрия и симметрия биологических структур, симметрия внешних форм растительного и животного мира. Это и симметрии, связанные со свойствами пространства-времени, и внутренние симметрии, связанные со свойствами элементарных частиц, и т. д. Симметрия материального мира проявляется также и в равенстве в нем взаимно компенсирующих друг друга положительных и отрицательных зарядов, а также структур материи и антиматерии. Квантовая теория суперсимметрии предполагает также наличие у элементарных частиц симметричных суперпартнеров. Однако все перечисленные симметрии являются приближенными и, как правило, сочетаются с асимметрией, т.е. спонтанными отклонениями от симметрии. Это, в свою очередь, эквивалентно взаимодействию всех материальных систем.

Тем более невозможна абсолютная симметрия, т.е. симметрия относительно всех возможных преобразований. Действительно, абсолютная симметрия возможна лишь в образованиях, лишенных всякой внутренней структуры, то есть в точечно-корпускулярных локализованных или, наоборот, в периодически-волновых распределенных, неограниченных структурах. В действительности же реализуются только те системы, которые, согласно принципу квантовой суперпозиции и связанному с ним принципу дополнительности, находятся одновременно с определенной вероятностью во взаимно исключающих противоположных состояниях. Отсюда следует также принцип запрета Паули, согласно которому связанные объекты (элементарные частицы, например) не могут находиться в одинаковых состояниях.

Таким образом, все реальные системы ограничены, а их периферийные элементы всегда лучше упорядочены, чем внутренние. Стремясь к симметрии, они или втягиваются внутрь системы, приведя к ее сжатию и уплотнению (твердые тела и частично жидкости), или, если верхние уровни системы лучше упорядочены, чем среда, улетучиваются, стремясь к однородному распределению (газы).

Рождение качественно новых систем, от Вселенной до человека, происходит всегда из одиночных симметричных и поэтому устойчивых, но не функционирующих элементов, сингулярностей, вследствие нарушения их симметрии. Возникающие вслед за этим деление, структуризация, упорядочение и связанное с ней бурное развитие сингулярности является следствием цепи следующих друг за другом спонтанных нарушений ее симметрии.

Так, например, согласно модели горячей Вселенной Гамова, спонтанное нарушение симметрии и структуризация сингулярности Вселенной привели к ее распаду на большое количество высокоэнергичных структурных элементов (большой взрыв). В результате возник первичный вещественный сгусток, состоящий, в соответствии с законами сохранения заряда, из равного количества частиц и античастиц. Начавшаяся при этом их бурная аннигиляция должна была привести к разрушению сгустка и остановке дальнейшего развития Вселенной. Но этого не случилось. Катастрофу предотвратила новое нарушение симметрии, которое, предположительно, выразилось в том, что переход частиц из сингулярности в сгусток произошел несколько быстрее, чем античастиц. Вследствие этого в сгустке возникла асимметрия в виде избытка частиц, что привело к дальнейшему формированию и развитию Вселенной и т.д.

Другой наглядный пример связан с возникновением и развитием жизни. Яйцеклетка и сингулярный зародыш в ней, находясь в состоянии симметрии, может сколь угодно долго пребывать в стационарном состоянии. Стоит, однако, сперматозоиду нарушить ее симметрию, внедрившись в нее в процессе зачатия, как она начинает бурно развиваться, давая начало новой жизни. Известно также, что в основе жизни лежит молекула белка, состоящей из длинной цепи аминокислот. При синтезировании аминокислот в лабораторных условиях, в полном соответствии с законами симметрии, возникают спирали левой и правой закрутки в одинаковых количествах. Такой белок не подает, однако, никаких признаков жизни, хотя химически полностью идентичен белку живой клетки. Разница между ними только в том, что молекулы белка асимметричны, так как состоят из спиралей одной только левой закрутки. Именно эта асимметрия их оживляет [4,5].

Таким образом, любые отклонения от симметрии нарушают однородность системы и упорядочивают ее, возбуждая в ней процессы, стремящиеся восстановить нарушенную симметрию, которые проявляют себя, как силовые поля. Устойчиво функционирующие системы, как и Вселенной в целом, реализуются в действительности только благодаря их отклонениям от симметрии. В связи с этим возникает вопрос, а что же является источником нарушения симметрии? Ведь симметричные системы не упорядочены и поэтому устойчивы. Для ответа на этот вопрос рассмотрим более подробно законы симметрии.

Известно, что теорема Неттер обратима. Это значит, что каждой сохраняющейся физической величине соответствует некоторая симметрия. Для иллюстрации рассмотрим, например, знакомое нам электромагнитное поле. Его источником является, как известно, сохраняющийся электрический заряд. Отсюда следует, что уравнения электромагнитного поля Максвелла должны обладать определенной симметрией. Действительно, каждая из составляющих электромагнитного поля определяется соответствующим градиентом скалярного потенциала или ротором векторного потенциала. Другими словами, преобразования этих потенциалов, которые сводятся к прибавлению к скалярному потенциалу произвольной постоянной величины, а – к векторному потенциалу соответствующей функции, не изменяет величин электрической и магнитной составляющих, а значит и само поле. Указанная симметрия уравнений поля называется калибровочной, а сами поля, подчиняющиеся этой симметрии, называются калибровочными. Оказывается, калибровочной симметрией обладают также слабые, сильные и в определенной степени гравитационные поля.

С математической точки зрения, рассмотренные преобразования уравнений поля сводятся в общем случае к повороту комплексного вектора волновой функции в некотором фазовом пространстве или, что то же самое, к соответствующей операции дифференцирования этой функции по координатам пространства-времени. Дифференцирование приводит к появлению добавочных членов, которые нарушают указанные выше законы симметрии и соответствующие им законы сохранения зарядов. Можно, однако, ввести некоторые векторные поля, которые компенсируют (калибруют) добавочные члены и восстанавливают симметрию уравнений. Расчеты при этом показывают, что вводимые указанным выше способом поля соответствуют реальным полям, что полностью подтверждает теорию калибровочной симметрии. Так, например, в квантовой электродинамике, доказывается, что калибровочное поле, источником которого является сохраняющийся электрический заряд электрона, – это электромагнитное поле, которое описывается уравнениями Максвелла, а калибровочная частица (квант калибровочного поля) – это безмассовый фотон со спином, равным единице. То же имеет место и в квантовой хромодинамике, теории сильных взаимодействий. Здесь частицами поля являются 3 цветных разновидности кварков, калибровочным полем является поле сильного взаимодействия, а калибровочной частицей этого поля – глион, безмассовая частица со спином, равным 1, то есть частица, подобная фотону. В теории слабых взаимодействий калибровочным полем является слабое поле, калибровочными частицами являются составляющие промежуточного векторного бозона [1,2,3] со спином, также равным единице.

С другой стороны, в условиях соблюдения строгой симметрии все объекты, как указывалось выше, являются точечными образованиями, то есть не обладают массой, и уравнения, описывающие поведение частиц поля, также не содержат массы. Другими словами, масса покоя элементарных частиц в этих условиях должна была бы равняться нулю, и они, согласно теории относительности, должны были бы двигаться с максимально возможной скоростью света. Взаимодействия и образование связанных атомарных (вещественных) структур оказались бы при этом невозможными. Чтобы устранить указанное противоречие английский физик Питер Хиггс еще в середине прошлого столетия выдвинул гипотезу, согласно которой, кроме известных в физике фундаментальных полей, существует еще одно, экзотическое Хиггсовое поле. Под влиянием поля Хиггса частицы обмениваются с ним квантами энергии. В результате они структурируются и приобретают соответствующие, строго определенные массы, которые приводят к снижению их скоростей и изменению направления движения. При этом одни из них излучают кванты соответствующего поля, а другие, обладающие той же калибровкой, – их поглощают. В результате обменного взаимодействия кварки связываются в протоны, нейтроны и мезоны, образуя атомные ядра, а электроны связываются с ядрами, образуя атомы, молекулы и разнообразные вещественные атомно-молекулярные конгломераты [1,2,4].

Другими словами, поле Хиггса оказывает тормозящее действие на взаимодействующие с ним частицы, при этом противодействие поля Хиггса возрастает с увеличением ускорения частиц. Для наглядности механизм действия поля Хиггса можно сравнить с движением легких частиц в жидкости. Если допустить сначала, что жидкость является идеальной, то есть не обладает вязкостью, то при малейших возмущениях частицы приходят в интенсивное движение, ускоряясь так, как будто не обладают никакой массой. Наоборот, те же частицы в высоковязкой жидкости остаются почти неподвижными, то есть приобретают очень малые ускорения. даже при достаточно сильных возмущениях. Это значит, что они ведут себя так, как- будто под влиянием вязкой жидкости приобрели достаточно большие массы.

Взаимодействие поля Хиггса с различными частицами избирательно. Сильнее всего оно взаимодействует с промежуточным векторными бозонами, сообщая им колоссальную массу порядка 80 и 90 ГэВ, превышающую почти в 100 раз массу протона. Значительно меньше его взаимодействие с кварками, еще более слабым является его взаимодействие с лептонами, причем его взаимодействие с нейтрино и, возможно, с частицами темной материи ничтожно мало. Поле Хиггса совсем не взаимодействует с фотонами и глюонами.

Расчеты показывают, что для обеспечения известных масс элементарных частиц масса частиц Хиггса должна находиться в окрестности 125-126 ГэВ. Это огромная масса, превышающая в 130 раз массу протона. В связи с этим, обычные ускорители элементарных частиц оказались непригодными для обнаружения высокоэнергичных частиц Хиггса. Для этой цели в европейском центре атомных исследований (ЦЕРН-е) был использован большой адронный Коллайдер (БАК) . При столкновении пучков протонов, разогнанных в ускорителе до очень большой, околосветовой скорости, выделяется энергия, эквивалентная указанной выше массе. Если частицы Хиггса существуют, то они под действием указанной энергии должны появиться среди многих других рождающихся частиц и могут быть уловлены с помощью специальных детекторов(рис. 1,2).

Рис1. Одно из событий рождения хиггсовского бозона и его распада на 2 фотона

Рис 2. Один из двух детекторов БАК. ЦЕРН.

Конечно, частицы Хиггса короткоживущие и непосредственно не могут наблюдаться. Их можно однако обнаружить по наблюдаемым продуктам распада. Уже через год после запуска коллайдера частицы с массой, приписываемой частицам Хиггса, были обнаружены. Окончательное доказательство того, что обнаруженная частица является действительно частицей Хиггса, появится предположительно тогда, когда будут исследованы все ее свойства и будет установлено, что они совпадают со всеми теоретически предсказанными свойствами частицы Хиггса.

Тем не менее, уже сейчас с большой вероятностью можно утверждать, что частицы и поле Хиггса, предсказанные чисто теоретически, были обнаружены спустя полвека в результате настойчивого целенаправленного поиска. Это весьма редкое событие является само по себе знаменательным. Однако его главное значение заключается в том, что оно в очередной раз очень убедительно и с высокой достоверностью подтвердило стандартную теорию поля, лежащую в основе действующей в настоящее время модели мироздания.

Значит ли это, как об этом говорят и пишут, что с подтверждением существования поля Хиггса, стандартная теория получила окончательное завершение и стала как бы абсолютной истиной в последней инстанции? С нашей точки зрения, это далеко не так. Дело в том, что теория Хиггса, как, между прочим, любая новая теория, породила больше вопросов, чем дала ответов.

С одной стороны, она заполнила очень важную брешь в стандартной теории поля и ответила на вечный вопрос физиков об источниках взаимодействий и движущих силах во Вселенной, который поставили еще в свое время Платон и Аристотель. Она также позволила лучше понять природу массы элементарных частиц и подтвердила единую теорию поля, позволившая объединить электромагнитное и слабое взаимодействия. Оказалось, что именно поле Хиггса сообщает массу калибровочным промежуточным векторным бозонам, которые вместе с безмассовыми фотонами переносят электро слабые взаимодействия. Наконец, исходя из того, что поле Хиггса является источником массы лептонов и кварков, сообщающие массу всем вещественным образованиям, физики сумели объяснить, как из бесструктурной нематериальной виртуальности образовалась вся реальная Вселенная.

С другой стороны, представления о поле и частицах Хиггса привели к появлению многих новых вопросов. Во-первых, если бозоны Хиггса являются источником массы элементарных частиц и, следовательно, всех вещественных образований Вселенной, то возникает вопрос, а что же является источником массы самих частиц Хиггса? Во-вторых, согласно теории калибровочной симметрии, источником любого поля является сохраняющийся заряд частиц поля. Подчеркнем при этом, что бозоны Хиггса – это кванты поля Хиггса, а не его частицы. Частицы же поля Хиггса в принципе не могут существовать, так как это поле вездесуще и равномерно распределено во всей Вселенной. Не означает ли это возрождение мирового эфира под новым названием? Кроме того, если поле Хиггса является источником массы, а, следовательно, гравитации, то не приводит ли теория Хиггса к опровержению общей теории относительности? Пока отсутствует также объяснение избирательности действия поля Хиггса. Наконец, теория Хиггса объясняет возникновение затравочных масс кварков и оставляет в стороне вопрос об увеличении этих масс примерно в 60 раз у кварков, связанных внутри нуклона. Такое увеличение кажется тем более странным, что оно противоречит известному факту, согласно которому массы связанных частиц должна, наоборот, уменьшиться на величину дефекта массы. В хромодинамике указанное противоречие объясняется тем, что основная масса кварков внутри протона является наведенной и вызвана флуктуациями глюонного поля. Что касается эфира, то он, к полному разочарованию его поклонников, сторонников альтернативной физики, как, между прочим, физический вакуум и темная материя, никакого отношения к полю Хиггса не имеет. В отличие от вещественного по своему содержанию эфира, заполняющего, якобы, все «пустоты» пространства, поле Хиггса, представлено бозонами, а не структурными элементами вещества. К тому же, оно, как всякое поле, дискретно, то есть ничего не заполняет. На самом деле из всей совокупности свойств поля Хиггса скорее всего следует, что Вселенная как бы погружена в нем, при этом его источник расположен вне Вселенной, определяя программу его поведения и олицетворяя собой тем самым Творца и внешнего наблюдателя. Не случайно, видимо, частицы Хиггса называют иногда частицами Бога.

Более сложным является вопрос о соотношении поля Хиггса и гравитации. Вопреки утверждениям многих физиков, теория Хиггса, по нашему мнению, не только не опровергает, но, наоборот, подтверждает теорию относительности. Действительно, основой теории относительности является принцип близкодействия, согласно которому (с поправкой, следующей из более поздней теории обменного взаимодействия квантовой теории поля), все взаимодействия в Природе переносятся квантами поля от одной частице к другой с постоянной скоростью, то есть с некоторым опозданием по времени. Это значит, что масса, как мера инерции, не является свойством материальных объектов, а служит лишь мерой величины запаздывания времени переноса взаимодействий [4]. Следует при этом напомнить, что распространив принцип близкодействия на процессы тяготения, Эйнштейн обнаружил, что задержка во времени происходит не только в процессах распространения взаимодействий, но и вблизи любых вещественных тел. В этом смысле эквивалентнось инертной и тяжелой массы является вполне естественной, так как она означает, что эти массы одной природы. Другими словами, не масса является источником инерции и тяготения, а, наоборот, изменение темпа течения времени, трактуемое как масса, приводит, как к инерции, так и к искривлению пространства-времени и тяготению.

С другой стороны, изменение темпа течения времени можно, как мы считаем, рассматривать, как результат спонтанного нарушения симметрии пространства-времени. Действительно, в отсутствии массивных тел пространство-время, согласно общей теории относительности, псевдоевклидово и строго симметрично. Оно при этом описывается линейными интервалами. Пространство-время не искривлено, луч света распространяется по прямой, а поле Хиггса бездейственно.

Подчеркнем, что строго симметричное псевдоевклидово пространство-время – это идеализация действительности и реально не может существовать, так как пространство-время – это тем или иным образом упорядоченные взаимодействующие совокупности материальных структур. В их отсутствии нет и пространства-времени. То, что нами воспринимается, как пустота, например, межзвездное пространство, на самом деле пустотой не является, а заполнено полями, нейтрино, темной материей, флуктуациями полей и пр. Такое пространство-время с определенным приближением можно только чисто теоретически рассматривать как псевдеклидово, так как плотность фермионов и атомных структур, взаимодействующих с полем Хиггса, в нем чрезвычайно мала.

Наоборот, там, где фермионы и атомные структуры сконцентрированы с достаточно большой плотностью, например, в звездных структурах, результат их взаимодействия с полем Хиггса приводит к торможению этих структур. Результатом этого являются временная задержка, нарушение линейности временных интервалов и, соответственно, спонтанное локальное нарушение симметрии пространства-времени и его искривление в полном соответствии с общей теорией относительности.

Между тем, у стандартной теории есть еще немало проблем. К ним можно отнести проблемы расходимостей, проблемы, связанные с теорией великого объединения и с неудачными попытками распространения единой теории поля на гравитацию. В области больших энергий и окрестностях черных дыр существуют также некоторые нерешенные проблемы общей теории относительности. Нет объяснений существования в природе параллельных вроде бы ненужных семейств элементарных частиц одной и той же природы.

Многие из перечисленных проблем являются результатом попыток некритического распространения стандартной теории на условия, где она имеет весьма приближенный характер. Речь здесь идет о том, что релятивистская квантовая теория поля, учтя положения специальной теории относительности, игнорирует общую теорию относительности, рассматривая квантовые процессы не в искривленном римановом, а в плоском псевдоевклидовом пространстве-времени.

Кроме того, математический аппарат теории, теория диаграм Фейнмана, игнорирует также структуру элементарных частиц, рассматривая их в виде точечных образований, что, как мы видели, недопустимо с точки зрения теории Хиггса. В то же время общая теория относительности не учитывает квантовый характер микропроцессов и необходимость квантования пространства-времени.

Данные приближения, допустимые в той или иной мере в области низких энергий, в области высоких энергий становятся недопустимыми. В настоящее время, как известно, делаются попытки устранения указанных недостатков и объединения квантовой теории поля и общей теории относительности в единую теорию квантовой гравитации. Введение в стандартную теорию поля Хиггса не только не является помехой, но, наоборот, как мы видели, помогает решению этой задачи.

Использованная литература

  1. Фейнман Р.,Вайнберг С. Элементарные частицы и законы физики. Мир, М., 2000

  2. Вайнберг С. Единые теории взаимодействия элементарных частиц. УФН, 1976, т.18,в.3

  3. Большой энциклопедический словарь. Физика. Гл.редактор А.М.Прохоров. НИ БРЭ, М., 1999

  4. Л. Прейгерман, М.Брук. Курс физики. Под редакцией профессора А.Т.Богороша. Мысль, И.,2011

  5. Лев Прейгерман. Вселенная и разум. Мысль, И. , 2009

  6. Лев Прейгерман. За пределами реальности. Мысль, И., 2012