На пути к единой теории поля. Идея спонтанного нарушения симметрии вакуума

Создание единой теории поля основывается на трех фундаментальных физических идеях: идеи о калибровоч­ной природе взаимодействий, идеи о лептонно-кварковом структурном уровне в строении вещества и идеи о спонтан­ном нарушении симметрии исходного вакуума.

Идея спонтанного нарушения симметрии исходного вакуума вошла в физику элементарных частиц из физики

твердого тела. Эта идея оказалась нитью Ариадны, кото­рая привела из запутанных лабиринтов к созданию единой теории электромагнитного и слабого взаимодействия. Тео­рия слабого взаимодействия была создана не сама по себе, а оказалась вписанной в единую электрослабую теорию. В настоящее время теория электрослабого взаимодействия подтверждена экспериментально. Идея спонтанного нару­шения симметрии исходного вакуума означает отход от об­щепринятого представления о вакууме как о состоянии, в котором среднее значение энергии всех физических полей равно 0. Здесь признается возможность существования со­стояний с наименьшей энергией при отличном от нуля зна­чении некоторых физических полей, возникает представле­ние о существовании вакуумных конденсатов — состояний с отличным от нуля вакуумным средним. Спонтанное на­рушение симметрии означает, что при определенных макро­условиях фундаментальные симметрии оказываются в состо­янии неустойчивости. Платой за устойчивое состояние си­стемы является асимметричность вакуума.

Наиболее распространенной и наглядной иллюстрацией спонтанного нарушения симметрии является пример со спонтанным нарушением вращательной симметрии. Пусть тело находится на вершине «мексиканского сомбреро» (или на донышке бутылки). Очевидно, что симметричному реше­нию исходной вращательной симметрии соответствует тело, находящееся на верхушке сомбреро (рис. 1). Однако это положение является неустойчивым, и в конце концов тело скатится в одно из устойчивых состояний, соответствующих минимуму энергии (рис. 2). При этом наблюдаемое состо­яние уже не отражает исходной вращательной симметрии, которая, тем не менее, по-прежнему существует.

Эта идея присутствует и в случае не вращательной, а калибровочной симметрии. Возможны ситуации, когда лаг­ранжиан квантовой теории обладает точной симметрией, в то время как низшее же энергетическое состояние (ваку­ум) не обладает симметрией лагранжиана. В случае хиггсо-вого поля мы имеем дело с подобным явлением, как если бы изменение потенциальной энергии вакуума имело форму «мексиканского сомбреро». Калибровочные бозоны и фер-мионы, взаимодействуя с этим конкретным состоянием вакуума, приобретают массы и заряды. Таким образом, в физику с использованием калибровочного принципа вку­пе с идеей спонтанного нарушения симметрии вакуума в качестве основного методологического принципа входит принцип рассмотрения физических явлений и процессов сквозь призму диалектики симметрии и асимметрии. Ибо здесь явно просматривается диалектическое тождество этих противоположностей, когда симметрия содержит в себе в виде возможности асимметрию, а асимметрия зиждется на симметрии.

В 1967 году С. Вайнбергом и А. Саламом была при­менена идея спонтанного нарушения симметрии для пост­роения единой теории электрослабых взаимодействий с массивными W⁺, W^-, Z⁰-бозонами и безмассовым фото­ному, описываемой симметрией SU(2) • U(l). Предполага­ется существование такого этапа в эволюции вселенной, когда не существовало различий между электромагнитны­ми и слабыми взаимодействиями. Однако последующее рас­ширение Вселенной привело к нарушению симметрии SU(2) • U(l) до симметрии U(l), отвечающей электромагнит­ному взаимодействию, и симметрии SU(2), отвечающей сла­бому взаимодействию. Так что в настоящую эпоху симмет­рия между этими типами взаимодействий оказывается скрытой, что обнаруживается нами как различие между электромагнитным и слабым взаимодействиями. 1979 год ознаменовался вручением Нобелевских премий А. Саламу. С. Вайнбергу и Дж. Глэшоу за создание единой теории элек­трослабых взаимодействий. А эксперименты 1983 года на ускорителе в ЦЕРНе по обнаружению W⁺, W^-, Z⁺⁰-бозонов, результаты которых оказались в полном соответствии с предсказаниями теории, дали подтверждение правильнос­ти стратегической линии использования идей калибровоч­ной симметрии в единстве с представлением о спонтанно

нарушенной симметрии вакуума и явились косвенным подтверждением существования вакуумных хиггсовых конденсатов. Успех этот стимулирует физиков в направле­нии поисков адекватной симметрии, объединяющей силь­ное и электрослабое взаимодействие (Великое объединение) и симметрии, объединяющей Великое объединение и грави­тационное (Суперобъединение).