Я считаю Гейзенберга провидцем. Он писал до появления стандартной модели, но предвидел, что симметрии предстоит сыграть ведущую роль в построении теории. Эти его размышления даже отчасти связаны с отношениями симметрии и принципа сохранения – в особенности сохранения заряда. Замеченное Гейзенбергом с его философской чувствительностью изменение в представлениях о мире – это замещение поисков физических объектов как строительных блоков Вселенной поисками математических объектов – в частности, симметрий.

Именно теорема Нётер придает этой идее конкретность, превращая ее из философского принципа в руководство к действию, которое можно использовать на практике для построения и анализа моделей Вселенной. Теорема проливает свет на структуру общей теории относительности. Она закладывает фундамент для стандартной модели. Вместе они – общая теория относительности и стандартная модель – объясняют все известные нам силы в физической Вселенной и все ее фундаментальные составляющие. Поэтому теорема Нётер тесно переплетена со всей фундаментальной физикой и делает значительную ее часть возможной.

На еще более глубоком уровне метод работы и мышления, ставший возможным благодаря теореме (тот, на который намекает Гейзенберг в приведенных чуть выше размышлениях), навсегда изменил занятия теоретической физикой. В поисках расширений стандартной модели (ограничены ли те эмпирически или нет) физики практически инстинктивно применяют программу Нётер. В общем и целом они рассматривают симметрию (в том числе скрытые симметрии, которые могут скрываться за нарушенными симметриями, доступными наблюдению), вытекающие из них законы сохранения и элементарные частицы, существования которых требуют эти законы сохранения. Как мы видели, эти размышления текут в двух направлениях: доказательство существования новой элементарной частицы, объясняемое законом сохранения, подразумевающим симметрию, которая может быть включена в симметрию более высокого порядка, ведущую к открытию новых законов сохранения и новых элементарных частиц.

Скрытые симметрии

В попытках объяснить идею скрытых или нарушенных симметрий преподаватели физики часто тянутся за карандашом. Вероятно, на вашем столе найдется такой архаичный инструмент или что-то ему подобное. Скорее всего, карандаш, в совершенном равновесии стоящий на своем кончике вертикально, – не первое, что приходит на ум. Дело в том, что мы никогда такого не наблюдаем. Не важно, как аккуратно мы пытаемся поставить карандаш вертикально – он все равно упадет. Я могу быть абсолютно уверен, что любой карандаш на вашем письменном столе не стоит, а лежит.

Теперь представьте себе карандаш, который стоит, сохраняя абсолютное равновесие. Он не склоняется ни в какую сторону: ни к северу, ни к югу, ни к востоку, ни к западу. Но все настоящие карандаши и ручки на вашем столе обращены в каком-то конкретном направлении – иначе и быть не может. Воображаемый карандаш, стоящий вертикально, вечно находящийся в равновесии, не нарушал бы никаких законов движения или тяготения. Его симметрия относительно горизонтали отражает симметрию описывающих ее законов. Вы тщетно станете искать предпочтительное направление по компасу, имея дело с силой земного притяжения или ньютоновскими законами движения. И однако, в реальности все карандаши нарушают эту симметрию, поскольку все они указывают в каком-то направлении. И воображаемый симметричный карандаш существует лишь в наших теориях и воображении: в реальности мы никогда его не наблюдаем, хотя теоретически он мог бы существовать.

Для описания подобной ситуации физики применяют термин нарушенная симметрия. В природе существуют скрытые, теоретически возможные симметрии, но некоторые из этих симметрий никогда не находят отражения в нынешнем состоянии нашей Вселенной. Их разрушает наша несовершенная реальность. Если бы мы могли избавиться ото всех помех реальной жизни, любого ветерка, вибрации или микроскопического изъяна на гладкой, идеально плоской поверхности нашего стола, и если бы мы смогли с бесконечной аккуратностью поставить карандаш абсолютно вертикально, то тогда, и только тогда он бы навечно остался в равновесии. Если бы мы видели вокруг себя подобные объекты, было бы легче выводить симметрии, становящиеся воплощением наших теорий. Но в реальности мы наблюдаем результаты нарушения симметрий.

Одним из величайших открытий стандартной модели было то, что феноменология элементарных частиц отражает такие нарушенные симметрии[397]. Физики, изучающие элементарные частицы, осознали, что для того, чтобы применить программу Нётер, им нужно будет представить себе скрытые симметрии, таящиеся за тем, что они наблюдали в ускорителях частиц. Подобные скрытые симметрии подразумевали существование скрытых законов сохранения. Чтобы делать эмпирические предсказания, нужно было понять, каким образом эти симметрии нарушались.

Эддингтон

Когда ленивому дизайнеру нужно изобразить стереотипного ученого, выбор обычно неизменен: лицо в морщинах, волосы в беспорядке – как у Альберта Эйнштейна. Но не лицо человека, давшего жизнь идеям, превратило его в этот стереотип. Тот человек был на 20, 30 или 50 лет моложе – в зависимости от того, каким решит изобразить его наш художник. Лицо создателя теорий относительности было гладким, привлекательным, умным. Эйнштейн с кухонного календаря или журнального разворота неизменно кажется кротким мудрецом. Но работу, которая в конечном счете принесла постаревшему Эйнштейну Нобелевскую премию, написал человек, который был моложе. Однако премия была вручена не за теорию относительности или столь же знаковое уравнение E = mc2. Она была присуждена Эйнштейну за статью о фотоэлектрическом эффекте, который помог воздвигнуть второй столп физики XX века – квантовую теорию.

Как говорилось в четвертой главе, к 1918 году Эйнштейн был знаменитостью среди физиков и пользовался некоторой сомнительной славой у более широкой аудитории. Но большинство людей о нем, вероятно, не слышали. Однако к 1919 году он стал – или быстро начал становиться – одной из самых известных фигур в истории западной цивилизации. Журналисты охотились за ним, стремясь узнать его мнение по политическим, религиозным и подчас даже научным вопросам.

В чем была причина этой внезапной славы и преклонения? Мы можем приписать случившееся настойчивости, дару предвидения и отваге Артура Эддингтона. Эддингтон был блестящим и предприимчивым английским астрономом с талантом, позволившим ему войти в избранный круг ученых, сумевших в первые же дни досконально разобраться в общей теории относительности. Он понял, что одно из явлений, предсказанных теорией, – это искривление света под воздействием гравитации, и захотел снарядить экспедицию для замеров видимого положения звезд во время предстоявшего в 1919 году солнечного затмения. Поскольку свет звезд проходил вблизи Солнца, он должен был искривиться, в результате чего звезды оказались бы смещены со своих обычных позиций. Если бы смещение произошло в соответствии с предсказаниями теории Эйнштейна, это стало бы веским ее подтверждением.

Взвесив множество факторов, в том числе продолжительность и полноту затмения, наличие еды и воды, погодные условия, транспортную доступность и вероятность поддержки со стороны местного правительства, Эддингтон