4 Верные идеи для неверных задач

4

Верные идеи для неверных задач

Глава, в которой Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг изобретают кварки, а Стивен Вайнберг и Абдус Салам используют механизм Хиггса для сообщения массы W– и Z-частицам (наконец-то!)

Ёитиро Намбу, американский физик японского происхождения, был глубоко обеспокоен.

Намбу изучал физику в Токийском имперском университете и закончил его в 1942 году. Физика элементарных частиц привлекла его благодаря славе Ёсио Нисины, Синъитиро Томонаги и Хидэки Юкавы, основателей японской физики частиц. Но в Токио не было крупного физика, работавшего в этой области, поэтому он стал заниматься физикой твердого тела.

В 1949 году Намбу переехал из Токио в Осаку, чтобы занять место профессора в тамошнем университете. Три года спустя его пригласили в Институт перспективных исследований в Принстоне. Он перебрался в Чикагский университет в 1954-м и четыре года спустя стал там профессором.

В 1956 году он посетил семинар, который проводил Джон Шриффер по новой теории сверхпроводимости, разработанной им вместе с Джоном Бардином и Леоном Купером. Это было элегантное применение квантовой теории для объяснения, почему некоторые кристаллические материалы при охлаждении ниже критической температуры теряют электрическое сопротивление и становятся сверхпроводниками.

Одноименные заряды отталкиваются. Однако электроны в сверхпроводниках испытывают слабое взаимное притяжение. Дело в том, что свободный электрон, проходящий близко от положительно заряженного иона в кристаллической решетке, слегка притягивает ион, который отклоняется от своего положения, искажая решетку. Электрон движется дальше, но искаженная решетка продолжает вибрировать взад-вперед. Эта вибрация производит небольшой дополнительный положительный заряд, который притягивает второй электрон.

В итоге суть этого взаимодействия в том, что пара электронов (называемая куперовской парой) с противоположным спином и импульсом совместно движется по решетке и вибрация решетки содействует их движению. Если помните, электроны являются фермионами и, как таковые, не могут занимать одно и то же квантовое состояние в соответствии с принципом Паули. Куперовские пары, напротив, ведут себя как бозоны, которые не подчиняются этому ограничению. Количество пар, которые могут занимать квантовое состояние, неограниченно, и при низких температурах они могут «конденсироваться», скапливаясь в одном состоянии и приобретая макроскопические размеры[51]. Куперовские пары в этом состоянии не испытывают сопротивления, двигаясь по решетке, и в результате возникает сверхпроводимость.

Намбу беспокоило, что в этой теории, очевидно, не соблюдалась калибровочная инвариантность электромагнитного поля. Иными словами, в ней, по всей видимости, не сохранялся электрический заряд.

Намбу взялся за эту проблему, и в этом ему помогла подготовка в области физики твердого тела. Он понял, что теория сверхпроводимости Бардина, Купера, Шриффера (БКШ) – это пример спонтанного нарушения симметрии применительно к калибровочному полю электромагнетизма.

Примеры нарушения симметрии встречаются повсюду. Если поставить карандаш на острие, он будет полностью симметричен, но чрезвычайно нестабилен. Карандаш падает в конкретном (хотя на первый взгляд произвольном) направлении, при этом можно сказать, что симметрия спонтанно нарушается. Аналогичным образом, мраморный шарик, положенный в шляпу, катится в конкретном (хотя на первый взгляд произвольном) направлении и останавливается в углублении. На самом деле за падение карандаша и качение шарика в шляпе отвечают мельчайшие флуктуации фоновых условий. Эти мельчайшие флуктуации образуют часть фонового «шума».

Спонтанное нарушение симметрии влияет на самое низкоэнергетическое, так называемое вакуумное состояние системы. Как любой материал, сверхпроводник может находиться в вакуумном состоянии, в котором все частицы сохраняют стационарное положение в решетчатой структуре, и электроны остаются неподвижными. Однако возможность совместного движения куперовских пар при способствующих им вибрациях решетки приводит к вакуумному состоянию с еще более низкой энергией. В данном случае калибровочная симметрия электромагнетизма U(1) нарушается присутствием другого квантового поля, кванты которого – куперовские пары. Законы, описывающие движение электронов в материале, остаются инвариантными при локальной калибровочной симметрии U(1), в отличие от вакуумного состояния.

Намбу понял, что, так как куперовские пары существуют в состоянии более низкой энергии, чтобы разбить их, нужно добавить энергию. Получившиеся таким образом свободные электроны будут обладать дополнительной энергией, равной половине энергии, которая потребовалась для того, чтобы разбить пары. Добавленная энергия будет выглядеть как добавленная масса. Его поразили перспективы этой мысли, и через несколько лет кратко изложил их следующим образом[52]:

«Что бы случилось, если бы некий сверхпроводящий материал наполнял бы всю Вселенную, а мы бы жили в нем? Так как мы не могли бы наблюдать истинный вакуум, [самое низкоэнергетическое] базовое состояние этого материала, по сути, было бы вакуумом. Тогда даже частицы… безмассовые в истинном вакууме, приобрели бы массу в реальном мире».

Нарушьте симметрию, рассуждал Намбу, и вы получите частицы с массой.

В 1961 году Намбу и итальянский физик Джованни Йона-Лазинио опубликовали статью с описанием такого механизма. Чтобы он работал, им нужно было фоновое квантовое поле, создающее «ложный» вакуум. В вышеописанном примере карандаш падает в тот момент, когда он взаимодействует с фоновым «шумом», нарушающим симметрию. Аналогичным образом, чтобы нарушить симметрию в квантовой теории поля, требуется фон для взаимодействия с ним. Иными словами, пустое пространство на самом деле не пустое. Оно содержит энергию в виде всепроникающего квантового поля.

В их модели ложный вакуум предоставлял фон, необходимый для нарушения симметрии в теории сильного взаимодействия с участием гипотетических безмассовых протонов и нейтронов. В результате действительно получались протоны и нейтроны с массой. Нарушение симметрии как бы «включало» массы частиц.

Но это был не простой путь. Британский физик Джеффри Голдстоун тоже изучал нарушение симметрии и пришел к выводу, что одним из его следствий является образование еще одной безмассовой частицы.

Фактически Намбу и Йона-Лазанио в своей модели столкнулись с той же трудностью. Помимо сообщения массы протонам и нейтронам, их модель также предсказывала существование безмассовых частиц, образованных нуклонами и антинуклонами. В своей статье они попытались доказать, что на самом деле они могут приобретать небольшую массу и таким образом их можно считать пионами.

Эти новые безмассовые частицы назвали бозонами Голдстоуна – Намбу. Голдстоун инстинктивно чувствовал, что образование этих частиц окажется общим результатом, применимым ко всем симметриям, и в 1969 году возвел его в статус принципа. Он стал известен как теорема Голдстоуна.

Конечно, против этих бозонов Голдстоуна – Намбу были те же самые возражения, как и против безмассовых частиц квантовых теорий поля. Любые новые безмассовые частицы, предсказанные теорией, должны были быть такими же вездесущими, как фотоны. Но ведь эти новые частицы никогда не наблюдались.

Спонтанное нарушение симметрии обещало решение проблемы безмассовых частиц в теории поля Янга – Миллса. Однако нарушение симметрии должно было сопровождаться появлением других безмассовых частиц, которые никто никогда не видел. Устранение одной проблемы вызвало вторую. Чтобы идти дальше, физики должны были найти какой-то способ обойти или решить теорему Голдстоуна.

Гелл-Манн и Неэман внимательно просмотрели фундаментальное представление глобальной группы симметрии SU(3). Они обнаружили, что протон и нейтрон можно поместить в следующее, восьмимерное представление, которое применяется к барионам. Следствия были вполне ясны. Восемь членов барионного октета – включая протон и нейтрон – должны быть составными частицам, образованными из еще более элементарных частиц, неизвестных экспериментальной науке. Может быть, это предположение и было очевидно, но оно влекло за собой некоторые малоприятные следствия.

В 1963 году Роберт Сербер из Колумбийского университета так и этак вертел комбинации трех (неконкретных) фундаментальных частиц, чтобы образовать из них два октета восьмеричного пути. В этой модели каждый член барионного октета был образован сочетанием трех новых частиц, а каждый член мезонного октета – сочетанием элементарных частиц и античастиц. Когда в марте того же года Гелл-Манн приехал в Колумбийский университет, чтобы прочитать несколько лекций, Сербер спросил его, что он думает об этой идее.

Они разговаривали за обедом в факультетском клубе университета.

«Я показал, что можно взять три кусочка и сделать из них протоны и нейтроны, – объяснил Сербер. – Из кусочков и антикусочков могут получиться мезоны. Потом я сказал: «Может, рассмотрите такую возможность?»[53]

Гелл-Манн лишь отмахнулся. Он спросил у Сербера, каковы электрические заряды этой новой тройки фундаментальных частиц, о чем Сербер не задумывался.

«Это была сумасшедшая идея, – рассказывал ГеллМанн. – Я взял салфетку, сделал расчеты и показал, что для этого частицам требуются дробные электрические заряды – вроде —¹/₃ или ²/₃, – чтобы они сложились в протон или нейтрон с зарядом плюс один или нулевым»[54].

Сербер согласился, что такой результат приводит в оторопь. Всего через 12 лет после открытия электрона американские физики Роберт Милликен и Харви Флетчер провели свой знаменитый эксперимент с каплей масла, измерив фундаментальную единицу электрического заряда, переносимого одиночным электроном. Выраженный в стандартных единицах, заряд электрона представляет собой сложное число со многими знаками после запятой[55], однако вскоре стало ясно, что заряженные частицы переносят заряды, которые являются целыми произведениями этой элементарной единицы. Ни разу за 54 года после нахождения величины элементарного электрического заряда не возникало даже слабого намека на то, что могут существовать частицы с меньшим зарядом.

В последовавшей дискуссии Гелл-Манн назвал новые частицы Сербера «кворками», нарочно придуманным словом, чтобы подчеркнуть абсурдность такого предположения. Сербер посчитал, что это производное от quirk[56], поскольку Гелл-Манн до этого сказал, что такие частицы были бы странным капризом природы.

Но, как бы ни пугали следствия, логика, приводящая к ним, была железной. Группа симметрии SU(3) требовала фундаментального представления, а то обстоятельство, что известные частицы можно соединить в два октета, очень намекало на существование триплета фундаментальных частиц. Дробные заряды представляли трудность, но, может быть, как подумалось Гелл-Манну, если «кворки» всегда заключены внутри более крупных адронов, тогда это может объяснить, почему частицы с дробным зарядом никогда не наблюдались в экспериментах.

Пока идеи Гелл-Манна постепенно оформлялись, он наткнулся на отрывок из «Поминок по Финнегану» Джеймса Джойса, который помог ему придумать имя этим невиданным абсурдным частицам:

«Эй, три кварка для мюстера Марка!»

Верно, выглядит он не особенно ярко,

И повадки его как у сына кухарки…[57]

«Вот оно! – заявил он. – Нейтрон и протон состоят из трех кварков!» Новое слово не вполне рифмовалось с первоначальным «кворком», но звучало довольно похоже. «Вот так я и выбрал это название. Просто в шутку. Как реакция против высокопарного научного языка»[58].

Гелл-Манн опубликовал двухстраничную статью с изложением своих мыслей в феврале 1964 года. Он назвал три кварка буквами u, d и s. Хотя в статье этого не говорилось, но буквы означали up (верхний) с зарядом +²/₃, down (нижний) с зарядом —¹/₃ и strange (странный), также с зарядом —¹/₃. Барионы образованы различными комбинациями трех кварков, а мезоны – комбинациями кварков и антикварков.

В этой системе протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (uud) с суммарным зарядом +1. Нейтрон состоит из u-кварка и двух d-кварков (udd) с суммарным зарядом 0. По мере уточнения модели обнаружилось, что изоспин связан с присутствием в частице верхнего и нижнего кварков. Нейтрон и протон обладают изоспинами, которые можно рассчитать как половину от количества верхних кварков минус количество нижних кварков[59]. Для нейтрона это дает изоспин ¹/₂ ? (1–2), то есть —¹/₂. «Поворот» изоспина нейтрона, следовательно, эквивалентен превращению нижнего кварка в верхний кварк, что дает протон с изоспином ¹/₂ ? (2–1), или +¹/₂. Таким образом, сохранение изоспина становится сохранением количества кварков. Бета-радиоактивность подразумевает превращение нижнего кварка в нейтроне в верхний кварк, что превращает нейтрон в протон с испусканием частицы W^—, как показано на рис. 11.

Рис. 11

Механизм ядерного бета-распада получил объяснение в смысле слабого распада нижнего кварка внутри нейтрона (d) на верхний кварк (u), превращающего нейтрон в протон с испусканием виртуальной частицы W^—

У странных частиц величина странности выражается просто как минус количество присутствующих странных кварков (s-кварков)[60]. Тогда очевидно, что схема заряда или изоспина в сравнении со странностью всего лишь показывает наличие кварков в частицах, при этом разные комбинации кварков появляются в разных местах схемы (см. рис. 12).

Рис. 12

Восьмеричный путь может легко объяснить разнообразные возможные комбинации верхних, нижних и странных кварков, что проиллюстрировано здесь на примере барионного октета. ?⁰и ?⁰ состоят из верхних, нижних и странных кварков, но отличаются изоспином. У ?⁰ изоспин равен нулю, а у ?⁰ – единице. Эту разницу можно проследить до различных возможных комбинаций волновых функций верхнего и нижнего кварков. У ?⁰ антисимметричная (ud – du) комбинация, у ?⁰ симметричная (ud + du)

И снова Гелл-Манн работал в одиночку, но был не единственным теоретиком, который напал на след фундаментального объяснения. После возвращения из Великобритании в Израиль Неэман вместе с израильским математиком Хаимом Гольдбергом работал над весьма умозрительной гипотезой фундаментального триплета, но они не рискнули заявить, что это могут быть «реальные» частицы с дробными электрическими зарядами.

Примерно в то же время, когда Гелл-Манн опубликовал свои теоретические выкладки, бывший студент Калтеха Джордж Цвейг разработал полностью эквивалентную схему, основанную на фундаментальном триплете частиц, которые он назвал тузами. Он пришел к выводу, что барионы можно составить из троек (триплетов) тузов, а мезоны – из двоек (дублетов) тузов и антитузов. Цвейг работал научным сотрудником в ЦЕРНе, и препринт с его идеями вышел в январе 1964 года. Позднее Цвейг увидел статью Гелл-Манна, быстро усовершенствовал модель, выпустил препринт на 80 страниц в ЦЕРНе и отправил его в престижный журнал Physical Review.

Рецензенты обрушились на него с криками. Статью так и не напечатали.

Гелл-Манн был уже признанным ученым, сделавшим много важнейших открытий, и ему промах с кварками был простителен. Будучи молодым научным сотрудником, Цвейг находился не в таком удачном положении. Когда некоторое время спустя он хотел устроиться в один из ведущих университетов, некий уважаемый член профессорско-преподавательского состава, старший теоретик, заявил, что его модель с тузами – шарлатанская выдумка. Цвейгу отказали в месте, и в конце 1964 года он вернулся на работу в Калтех. Впоследствии Гелл-Манн приложил все усилия, чтобы роль Цвейга в открытии кварков была признана.

Кварковая модель все замечательно упростила, но на самом деле это была всего лишь теоретическая игра со схемами. У нее просто не было никаких экспериментальных оснований. Гелл-Манн никак не облегчил свою задачу тем, что был довольно скрытен насчет статуса новых частиц. Не желая ввязываться в философские споры о реальности частиц, которые в принципе нельзя увидеть, он называл кварки «математическими». Некоторые понимали это так, будто Гелл-Манн не считает, что кварки состоят из настоящего вещества, что они существуют в реальности и соединяются, производя реально существующие эффекты.

Цвейг оказался смелее (или безрассуднее, как посмотреть). Во втором препринте, напечатанном в ЦЕРНе, он заявил: «Есть и некоторая возможность, что модель ближе к природе, чем мы думаем, и что мы состоим из множества тузов с дробным зарядом»[61].

Филип Андерсон, занимавшийся физикой твердого тела, не верил в теорему Голдстоуна. Многочисленные практические примеры в физике твердого тела совершенно очевидно говорили, что бозоны Намбу – Голдстоуна не всегда возникают при спонтанном нарушении калибровочной симметрии. Симметрии нарушались постоянно, однако физиков твердого тела не заливали потоки безмассовых частиц, аналогичных фотонам, которые бы возникали в результате. Например, в сверхпроводниках не генерировались безмассовые частицы. Что-то тут было не так.

В 1963 году Андерсон предположил, что трудности, которые пытаются решить теоретики квантовых полей, могут в каком-то смысле разрешиться сами[62]:

«В таком случае, вероятно, учитывая аналог сверхпроводимости, что теперь открыты возможности… которые без всякого труда включают либо безмассовые калибровочные бозоны Янга – Миллса, либо безмассовые бозоны [Намбу – ]Голдстоуна. Эти два типа бозонов, по-видимому, способны «сократить» друг друга, оставив лишь бозоны, обладающие конечной массой».

Неужели это действительно так просто? Может быть, это тот случай, когда минус на минус дал плюс? Статья Андерсона вызвала некоторые споры. И пока в научной прессе высказывались аргументы и контраргументы, некоторые физики хорошенько ее запомнили.

Затем вышел ряд статей с подробным описанием механизма спонтанного нарушения симметрии, в которых разные безмассовые бозоны действительно «сокращали» друг друга, оставляя лишь частицы с массой. Их независимо друг от друга опубликовали бельгийские физики Роберт Браут и Франсуа Энглер, английский физик Питер Хиггс из Эдинбургского университета, а также Джеральд Гуральник, Карл Хейген и Том Киббл из Имперского колледжа в Лондоне[63]. Такой механизм обычно называют механизмом Хиггса (или, как предпочитают те, кого волнует справедливость, механизмом Браута – Энглера – Хиггса – Хейгена – Гуральника – Киббла).

Механизм работает следующим образом. Безмассовая частица со спином 1 (бозон) движется со скоростью света и имеет две «степени свободы», то есть ее амплитуда волны может колебаться в двух измерениях, перпендикулярных (трансверсальных) направлению, в котором она движется. Если частица движется, скажем, в направлении z, ее амплитуда волны может колебаться только в направлениях х и у (влево/вправо и вверх/вниз). У фотона две степени свободы связаны с левой круговой и правой круговой поляризацией. Эти состояния могут сочетаться и давать более знакомые состояния линейной поляризации: горизонтальное (по оси х) и вертикальное (по оси у). У света не существует поляризации в третьем измерении.

Чтобы изменить это состояние, нужно ввести фоновое поле, которое часто называют полем Хиггса, для нарушения симметрии[64]. Поле Хиггса характеризует форма кривой потенциальной энергии.

Идея кривой потенциальной энергии довольно прямолинейна. Представьте себе маятник, который качается взад-вперед. Когда маятник совершает взмах вверх, он замедляется, останавливается и затем начинает двигаться в другом направлении. В этот момент вся энергия его движения (кинетическая энергия) превращается в потенциальную энергию маятника. Когда маятник совершает движение обратно, потенциальная энергия высвобождается, переходя в кинетическую энергию движения, и маятник набирает скорость. Внизу дуги, когда маятник направлен прямо вниз, кинетическая энергия имеет максимальное значение, а потенциальная равна нулю.

Если мы изобразим величину потенциальной энергии в сравнении с углом смещения маятника от вертикали, у нас получится парабола – см. рис. 13, а. Нижняя точка кривой потенциальной энергии очевидно совпадает с точкой, в которой смещение маятника равно нулю.

Рис. 13

(a) В случае простого маятника, движущегося без учета трения, кривая потенциальной энергии имеет форму параболы и нулевая потенциальная энергия соответствует нулевому смещению маятника от вертикали. Однако кривая потенциальной энергии для поля Хиггса (b) имеет другую форму. Теперь нулевое значение потенциальной энергии соответствует конечному смещению (самого поля) или тому, что физики называют ненулевым значением вакуумного ожидания

Кривая потенциальной энергии поля Хиггса немного отличается. Вместо угла смещения мы изобразим смещение или значение самого поля. В нижней части кривой появляется небольшой бугорок, похожий на тулью сомбреро или выпуклость на дне бутылки из-под шампанского. Из-за наличия этого бугорка симметрия нарушается. Когда поле охлаждается и теряет потенциальную энергию, подобно падающему карандашу, она произвольно падает в углубление на кривой (кривая на самом деле трехмерна). Но в этом случае самая нижняя точка кривой соответствует ненулевому значению поля. Физики называют это ненулевым значением вакуумного ожидания. Оно представляет собой «ложный» вакуум, то есть вакуум не вполне пустой – он содержит ненулевые значения поля Хиггса.

Рис. 14

(a) Безмассовый бозон движется со скоростью света и имеет только две пересекающиеся степени свободы, влево/вправо (x) и вверх/ вниз (y). Взаимодействуя с полем Хиггса, частица может поглотить безмассовый бозон Намбу – Голдстоуна и приобрести третью степень свободы – вперед/назад (z). Соответственно, частица приобретает «глубину» и замедляется. Сопротивление ускорению – это и есть масса частицы

При нарушении симметрии возникает безмассовый бозон Намбу – Голдстоуна. Его может «поглотить» безмассовый бозон поля со спином 1, создавая третью степень свободы (вперед/назад). Амплитуда волны частицы поля теперь может колебаться во всех трех измерениях, в том числе и в направлении собственного движения. Частица приобретает «глубину» (см. рис. 14).

В механизме Хиггса приобретение третьей степени свободы похоже на торможение. Частица замедляется в степени, зависящей от ее взаимодействия с полем Хиггса.

Фотон не взаимодействует с полем Хиггса и продолжает беспрепятственно двигаться со скоростью света. Он остается безмассовым. Частицы, взаимодействующие с полем, приобретают глубину, набирают энергию и замедляются, поле при этом притягивает их, словно густой сироп. Взаимодействия частицы с полем проявляются в виде сопротивления ускорению[65].

Нет ли в этом чего-то смутно знакомого?

Инертная масса объекта – мера его сопротивления ускорению. Мы инстинктивно хотим уравнять инертную массу с количеством вещества, которое содержится в объекте. Чем больше вещества он содержит, тем тяжелее ему ускоряться. Механизм Хиггса ставит это рассуждение с ног на голову. Теперь мы интерпретируем степень, с которой поле Хиггса сопротивляется ускорению частицы, как массу частицы (инертную).

Концепция массы растворилась под одним дуновением логики. На смену ей пришли взаимодействия между безмассовыми частицами и полем Хиггса.

У механизма Хиггса не сразу появились сторонники. Самому Хиггсу не сразу удалось опубликовать свою статью. Сначала он отправил ее в европейский журнал Physics Letters в июле 1964 года, но редактор ее отверг, посчитав неподходящей. Через много лет Хиггс написал[66]:

«Меня это возмутило. Я считал, что мои выводы могли иметь важные следствия для физики элементарных частиц. Позднее мой коллега Сквайрс, который провел август 1964 года в ЦЕРНе, сказал, что теоретики не увидели смысла в том, что я сделал. Оглядываясь назад, я не удивляюсь: в 1964 году… квантовая теория поля была не в моде…»

Хиггс внес некоторые изменения в свою статью и снова отправил ее в журнал Physical Review Letters. Ее переслали на рецензирование Намбу. Намбу попросил Хиггса прокомментировать, как связана его статья и другая, только что опубликованная в том же журнале (31 августа 1964 года) Браутом и Энглером. Хиггс не знал, что Браут и Энглер работали над той же проблемой, и отметил их работу в примечании. Кроме того, он добавил последний абзац к основному тексту, где обратил внимание на возможное существование «неполных мультиплетов скалярных и векторных бозонов»[67], что было довольно неясным намеком на возможное существование еще одного, массивного бозона с нулевым спином, квантовой частицы поля Хиггса.

Он и станет известен как бозон Хиггса.

Может быть, удивительно, но те, для кого механизм Хиггса мог быть полезнее всего, в тот момент практически не обратили на него внимания.

Хиггс родился в английском городе Ньюкасл-апон-Тайн в 1929 году. В 1950-м он закончил Королевский колледж в Лондоне и четыре года спустя получил докторскую степень. Потом он поочередно работал в Эдинбургском университете и Имперском колледже в Лондоне. Хиггс вернулся в Эдинбургский университет в 1960 году, чтобы читать лекции по математической физике. В 1963 году он женился на Джоди Уильямсон, которая вместе с ним была активистом кампании за ядерное разоружение.

В августе 1965 года, работая в университете Северной Каролины, Хиггс взял академический отпуск и отвез Джоди в Чапел-Хилл. Их первый сын Кристофер родился несколько месяцев спустя. Некоторое время спустя Хиггс получил приглашение от Фримена Дайсона провести семинар по механизму Хиггса в Институте перспективных исследований. Хиггс опасался того, как примут его теории в институте, про чьи семинары говорили, что они проходят «под дулом ружья», но вышел из переделки целым и невредимым в марте 1966 года. Паули умер еще в декабре 1958 года, однако любопытно, смогли бы доводы Хиггса изменить его отношение к неудачному выступлению Янга за двенадцать с лишним лет до того.

Хиггс воспользовался этой возможностью, чтобы выполнить давнишнюю просьбу и провести семинар в Гарвардском университете, куда он оправился на следующий день. Аудитория была настроена так же скептически, и позднее один гарвардский теоретик признал, что им «не терпелось разорвать этого идиота, который думал, будто может обойти теорему Голдстоуна»[68].

Глэшоу был среди слушателей, но к тому времени он, кажется, совсем забыл свои первые попытки разработать объединенную электрослабую теорию, теорию, предсказавшую безмассовые частицы W+, W^— и Z⁰, которые каким-то образом должны были получить массу. «К сожалению, амнезия продолжалась у него весь 1966 год», – написал Хиггс[69]. Ради справедливости к Глэшоу надо сказать, что Хиггс был увлечен применением его механизма к сильному взаимодействию.

Но Глэшоу не сумел сложить два и два. Нужную связь в конце концов проведет бывший одношкольник Глэшоу Стивен Вайнберг (и независимо от него Абдус Салам).

Вайнберг получил степень бакалавра в Корнеллском университете в 1954 году, поступил в аспирантуру в институте Нильса Бора в Копенгагене и вернулся, чтобы закончить докторскую диссертацию в Принстонском университете в 1957-м. Он закончил постдокторантуру в Колумбийском университете Нью-Йорка и Национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии, а затем получил место профессора в Университете Беркли. Он взял отпуск, чтобы читать лекции в Гарварде в 1966 году, а на следующий год его пригласили преподавать в МИТ.

Следующие несколько лет Вайнберг работал над следствиями спонтанного нарушения симметрии в сильных взаимодействиях, описываемых теорией поля SU(2) ? SU(2). Как обнаружили Намбу и Йона-Лазинио за несколько лет до того, в результате нарушения симметрии протоны и нейтроны приобретают массу. Вайнберг считал, что образованные таким образом бозоны Намбу – Голдстоуна могут быть аппроксимированы как пионы. В то время это казалось разумным, и Вайнберг, даже не думая вторгаться в теорему Голдстоуна, с радостью встретил предсказанные новые частицы.

Но потом Вайнберг понял, что такой подход ни к чему не приведет. И в тот момент ему пришла в голову еще одна идея[70]:

«В какой-то момент осени 1967 года, по-моему, когда я ехал к себе в МИТ, мне пришло в голову, что я все время применял верные идеи к неверным задачам».

Вайнберг применял механизм Хиггса к сильному взаимодействию. Теперь он понял, что математические структуры, которые он пытался применять к сильным взаимодействиям, именно те, что требуются для решения проблем со слабыми взаимодействиями и проистекающими из них массивными бозонами. «Боже мой, – воскликнул он про себя, – это же решение для слабого взаимодействия!»[71]

Вайнберг хорошо понимал, что если массы частиц W+, W^— и Z⁰ добавить вручную, как в теории Глэшоу для электрослабого поля SU(2) ? U(1), тогда результат нельзя будет перенормировать. Тогда он задумался, не сможет ли нарушение симметрии при помощи механизма Хиггса сообщать массу частицам, устранить ненужные бозоны Намбу – Голдстоуна и выдвинуть теорию, которую в принципе можно было бы перенормировать.

Оставалась проблема слабых нейтральных токов – взаимодействий с нейтральными частицами Z⁰, которые все еще не были подтверждены экспериментально. Он решил совсем не касаться этой проблемы, ограничив теорию лептонами – электронами, мюонами и нейтрино. Он стал остерегаться адронов, частиц, участвующих в сильном взаимодействии, и особенно странных частиц, принципиальной основы для экспериментального исследования слабого взаимодействия.

Модель, состоящая из одних лептонов, по-прежнему предсказывала нейтральные токи, но в ней они должны были включать нейтрино. Прежде всего, нейтрино оказалось довольно трудно найти экспериментально, и Вайнберг, может быть, решил, что экспериментальное обнаружение нейтральных токов слабого взаимодействия с участием этих частиц будет представлять настолько непреодолимые трудности, что их можно предсказывать, особенно ничего не опасаясь.

Вайнберг опубликовал статью с изложением единой электрослабой теории для лептонов в ноябре 1967 года. Это была теория поля SU(2) ? U(1), сведенная к симметрии обычного электромагнетизма U(1) спонтанным нарушением симметрии, что сообщило массу частицам W+, W^— и Z⁰ и в то же время оставило фотон безмассовым. По его оценке шкалы масс для бозонов слабого взаимодействия, W±-частицы были примерно в 85 раз массивнее протона, Z⁰-частицы примерно в 96 раз. Он не смог доказать, что теорию в принципе можно перенормировать, но был уверен в этом.

В 1964 году Хиггс говорил о возможности существования бозона Хиггса, но это не было связано с какой-либо конкретной силой или теорией. Вайнберг счел нужным ввести в свою электрослабую теорию поле Хиггса с четырьмя компонентами. Три из них сообщают массу частицам W+, W^— и Z⁰. Четвертый выглядит классической частицей – это бозон Хиггса. То, что раньше было математической возможностью, стало предсказанием. Вайнберг даже оценил силу связи между бозоном Хиггса и электроном. Бозон Хиггса сделал решающий шаг к тому, чтобы стать «настоящей» частицей.

В Великобритании Абдуса Салама с механизмом Хиггса познакомил Том Киббл. Он уже работал над электрослабой теорией поля SU(2) ? U(1) и сразу же увидел те возможности, которые давало спонтанное нарушение симметрии. Прочитав препринт статьи Вайнберга, где теория применялась к лептонам, он понял, что они с Вайнбергом независимо пришли к одной и той же модели. Он решил не публиковать свою статью, пока не найдет возможность вставить в нее адроны. Но, как ни пытался, он не мог обойти проблему слабых нейтральных токов.

Вайнберг и Салам считали, что теория поддается перенормировке, но ни один не мог этого доказать. Кроме того, они не могли предсказать массу бозона Хиггса.

Теория не вызвала никакого ажиотажа. Если кто и обратил на нее внимание, то отнесся к ней критично. Проблема массы устранена за счет какого-то фокуса с дымом и зеркалами с участием гипотетического поля, для которого нужен был еще один гипотетический бозон. Такое ощущение, что теоретики, занимавшиеся квантовыми полями, все играли в свои игры с полями и частицами по невразумительным правилам, которые понимали лишь немногие.

Ученые, занимавшиеся физикой частиц, просто проигнорировали их и продолжали заниматься своей наукой.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.