присутствует в законах природы — как в теории фундаментальных взаимодействий, — но нарушается в реальном состоянии системы. Как мы уже говорили, симметрии должны существовать по причинам, связанным с высокоэнергетическим поведением частиц в этой теории. Тогда единственное решение заключается в том, что симметрии существуют, однако спонтанно нарушаются, чтобы слабый калибровочный бозон мог обладать массой, но избегать при этом «неправильного» поведения при высоких энергиях.
Механизм Хиггса основан на представлении о том, что симметрия на самом деле — это часть теории. Законы природы предполагают симметрию. Но реальное состояние окружающего мира игнорирует ее. Вообразите себе карандаш, который сначала стоит торчком (симметрично), а потом падает, выбирая тем самым одно определенное направление. Пока карандаш стоял, все направления для него были одинаковы, но при его падении симметрия нарушается. Таким образом, лежащий карандаш спонтанно нарушает симметрию, которая для стоящего карандаша соблюдалась.
Точно так же механизм Хиггса спонтанно нарушает симметрию слабого взаимодействия. Это означает, что законы физики предусматривают симметрию, но для вакуума, насыщенного зарядом слабого взаимодействия, симметрия нарушается. Поле Хиггса, пронизывающее Вселенную несимметричным образом, нарушает симметрию слабого взаимодействия, которая без него соблюдалась бы, и позволяет элементарным частицам обзаводиться массой.
Помещая в вакуум некий заряд, механизм Хиггса нарушает симметрию, связанную со слабым взаимодействием, причем делает это на определенном масштабе. Этот масштаб задается распределением слабых зарядов в вакууме. На высоких энергиях или на маленьких расстояниях частицы не встречают никаких слабых зарядов и потому ведут себя как безмассовые. Это означает, что на маленьких расстояниях (или на высоких энергиях, что эквивалентно) симметрия, судя по всему, соблюдается. Однако на больших расстояниях слабый заряд действует в некоторых отношениях как сила трения и замедляет частицы. Похоже, что поле Хиггса придает частицам массу только на низких энергиях, то есть на относительно больших расстояниях.
Именно это нам и нужно. Опасные взаимодействия, которые не имели бы смысла для массивных частиц, применимы только на высоких энергиях. На низких энергиях частицы могут — и должны, как показывают эксперименты — обладать массой. Механизм Хиггса, спонтанно нарушающий симметрию слабого взаимодействия, — единственный известный нам способ обеспечить такое положение вещей.
Хотя мы до сих пор не видели частиц, ответственных за механизм Хиггса, который, в свою очередь, отвечает за массы элементарных частиц, у нас имеются экспериментальные свидетельства того, что механизм Хиггса в природе существует. Его действие мы много раз наблюдали в совершенно ином контексте: а именно в сверхпроводящих материалах. Сверхпроводимость возникает тогда, когда электроны образуют пары и эти пары пронизывают весь материал. Так называемый конденсат в сверхпроводниках состоит из электронных пар, играющих ту же роль, что и поле Хиггса в приведенном выше примере.
Но в сверхпроводнике конденсат переносит не слабый заряд, а электрический. То есть конденсат как бы придает массу фотону, который передает электромагнитное взаимодействие внутри сверхпроводника. Масса экранирует заряд; это значит, что внутри сверхпроводящего материала электрическое и магнитное поля далеко не распространяются, а силы спадают очень быстро на коротких расстояниях. Квантовая механика и специальная теория относительности утверждают, что расстояние экранирования внутри сверхпроводника есть прямое следствие фотонной массы, которая существует только в сверхпроводящем субстрате. В этих материалах электрические поля не могут проникать дальше, чем на расстояние экранирования, потому что фотон, отражаясь от пронизывающих сверхпроводник электронных пар, обретает массу.
Механизм Хиггса работает аналогичным образом[52]. Но вместо электронных пар (несущих электрический заряд), пронизывающих вещество, мы говорим здесь о поле Хиггса (несущем слабый заряд), пронизывающем
