Носимая тяжесть бытия: симметрия нарушена, физика отремонтирована
…соберите оставшиеся куски, чтобы ничего не пропало.
Иоанн 6:12
В природе есть замечательная поэзия, как часто бывает и в человеческих драмах. А в любимых мной эпических поэмах древней Греции, созданных в те же времена, когда Платон писал про свою пещеру, часто встречается такой сюжет: открытие прекрасного сокровища, сокрытого ранее от взглядов людей, небольшой удачливой группой необычных путешественников, которых это открытие меняет навсегда.
Ах, как же мне повезло! Именно это побудило меня изучать физику, ведь возможность впервые открыть какой‑то новый чудесный уголок природы очень романтична и обладает невероятной притягательной силой. Вся наша история состоит из таких моментов, когда поэзия природы сливается с поэзией человеческого существования.
Почти каждый эпизод из тех, о которых мне хочется рассказать, полон поэзии, но, чтобы увидеть ее, необходима верная перспектива. Сегодня, во втором десятилетии XXI века, мы могли бы с легкостью прийти к единому мнению о том, которая из великих теорий XX века самая красивая. Но, чтобы оценить подлинную драму научного развития, нужно понимать: во время своего создания красивые теории зачастую не выглядят такими привлекательными, как годы спустя, – примерно как хорошее вино или прошлая любовь.
Так получилось, что идеи Янга и Миллса, а также Швингера и остальных, основанные на математической поэзии калибровочной симметрии, не смогли в свое время вдохновить ученых или конкурировать с представлением о том, что квантовая теория поля и ее наиболее красивый живой пример – квантовая электродинамика – не является продуктивным подходом к описанию других взаимодействий в природе – слабого и сильного ядерных взаимодействий. По мнению многих, к подобным силам, действующим на малых расстояниях, соответствующих масштабу атомного ядра, должны были применяться новые правила, а старые методы были здесь неуместны.
|
|
|
Также и последующие попытки Намбу и Андерсона применить в субатомном царстве идеи физики материалов, известной также как многочастичная физика и физика конденсированных сред, были отброшены многими специалистами по физике элементарных частиц, которые глубоко сомневались в том, что это новое направление способно привнести в «фундаментальную» физику какие бы то ни было новые озарения. Скепсис физического сообщества очаровательно выразил теоретик Виктор Вайскопф; говорят, он сказал на семинаре в Корнеллском университете: «Специалисты по физике элементарных частиц сегодня в таком отчаянии, что вынуждены заимствовать новые идеи из физики твердого тела… Может, что‑нибудь из этого и получится».
|
|
|
Следует признать, что для такого скепсиса были некоторые основания. В конце концов, Намбу в свое время утверждал, что спонтанное нарушение симметрии, возможно, объяснит большие и очень близкие массы протонов и нейтронов, и надеялся, что это произойдет в процессе поисков объяснения того факта, что пион намного легче этих частиц. Но идеи, которые он при этом позаимствовал, целиком опирались на представление о том, что визитной карточкой спонтанного нарушения симметрии является существование частиц с нулевой массой, а не очень малой.
Работа Андерсона, конечно, тоже представляла интерес. Но, поскольку написана она была в контексте нерелятивистского конденсированного вещества, а заодно допускала нарушение теоремы Голдстоуна из физики элементарных частиц, согласно которой нарушение симметрии и частицы с нулевой массой неразделимы, его утверждение о том, что состояния с нулевой массой исчезают в его примере (в электромагнетизме в сверхпроводниках), было также по большей части проигнорировано коллегами.
Однако Джулиан Швингер не отказался от идеи о том, что калибровочная теория Янга – Миллса способна объяснить ядерные взаимодействия, и продолжал утверждать, что янг‑миллсовские разновидности фотонов могут быть массивными; правда, он не мог продемонстрировать, как такое может быть.
|
|
|
Работа Швингера привлекла внимание Питера Хиггса, молодого британского физика с мягкими манерами, преподававшего тогда математическую физику в Эдинбургском университете. Никто бы не заподозрил в этом кротком молодом человеке революционера. Однако он все же был революционером, хотя и невольным, едва не упустившим свой шанс из‑за близорукости редакторов одного из журналов.
В 1960 г. Хиггс только что получил место в университете и был приглашен поработать в комитете, который занимался организацией первой Летней школы шотландских университетов по физике. Проект вылился в достойную школу, посвященную разным областям физики. Приблизительно раз в четыре года в течение трех недель лучшие аспиранты и молодые доктора слушают лекции ведущих ученых по физике элементарных частиц, которые перемежаются трапезами, сдобренными хорошим вином, а под вечер и добрым виски. В том году среди студентов находились будущие нобелиаты Шелдон Глэшоу и Мартинус Вельтман, а еще Никола Кабиббо, который, по моему мнению, тоже должен был получить премию. Судя по всему, Хиггс, которому поручили роль виночерпия, заметил, что эти трое студентов никогда не появляются на утренних лекциях. Похоже, они проводили вечера за обсуждением физики и вином, потихоньку вынесенным с обеда или ужина. Тогда у Хиггса не было возможности присоединиться к этим дискуссиям, и потому он не узнал от Глэшоу о его новом предложении по объединению электромагнитного и слабого взаимодействий, статью о котором тот уже представил к публикации.
|
|
|
В шотландских летних школах есть собственная поэзия. Год за годом они перемещаются по стране и периодически возвращаются в красивый прибрежный город Сент‑Эндрюс рядом со знаменитым Олд‑Корсом – местом, где родился гольф. В 1980 г. в Сент‑Эндрюсе Глэшоу, недавно удостоенный Нобелевской премии, и Герард ’т Хоофт, знаменитый бывший студент Вельтмана, читали в этой школе лекции, и в бытность аспирантом мне повезло посетить их.
Я тогда приехал поздно, получил самую маленькую комнатку, практически на чердаке, с видом на Олд‑Корс и наслаждался не только физикой, но и алкоголем; кроме того, на площадке для мини‑гольфа под названием «Гималаи» по соседству я с пользой для дела угощал дармовой выпивкой одного из лекторов – физика Грэма Росса из Оксфорда. ’т Хоофт был не только физиком почти невероятных способностей, но и прекрасным художником. В 1980 г. он выиграл конкурс Летней школы по дизайну футболок, и у меня до сих пор хранится подписанная им футболка. Не могу с ней расстаться, хотя аукцион на eBay и манит. (Через двадцать лет после той программы, в 2000 г., я вернулся в Летнюю школу уже преподавателем. В отличие от Глэшоу, ’т Хоофта, Вельтмана и Хиггса вернулся без Нобелевской премии; все же я получил наконец право носить килт. Еще одна галочка в списке того, что надо успеть в жизни.)
После работы в Летней школе в 1960 г. Хиггс начал изучать литературу по симметрии и ее нарушениям и разбирать статьи Намбу, Голдстоуна, Салама, Вайнберга и Андерсона. Задача примирения теоремы Голдстоуна с возможностью существования массивных векторных частиц Янга – Миллса, которые могли бы переносить сильное взаимодействие, показалась ему безнадежно сложной. Затем, в 1964 г., том самом волшебном году, когда Гелл‑Манн ввел понятие кварков, Хиггс прочел две статьи, которые дали ему надежду.
Первой из них была статья Абрахама Клейна и Бена Ли; последний до своей гибели в автокатастрофе по дороге на физический семинар был одной из самых ярких восходящих звезд в мировой физике элементарных частиц. Авторы предложили способ обойти теорему Голдстоуна и избавиться от безмассовых частиц в квантовых теориях поля, которых в реальности не наблюдалось.
Затем молодой физик из Гарварда Уолтер Гилберт, вскоре после этого решивший сменить царивший в физике элементарных частиц хаос на зеленые пастбища молекулярной биологии, – где в конечном итоге он тоже заработал Нобелевскую премию, но уже за участие в разработке технологии секвенирования ДНК, – написал статью, в которой показал, что предложенное Клейном и Ли решение порождает конфликт с теорией относительности и потому вызывает большие сомнения.
Как мы уже видели, калибровочные теории имеют интересное свойство: вы можете произвольно менять определение положительного и отрицательного заряда в каждой точке пространства, не меняя при этом никаких наблюдаемых физических свойств системы, если только позволяете электромагнитному полю поддерживать необходимые взаимодействия и меняться так, чтобы надлежащим образом компенсировать эти локальные вариации. В результате вы можете проводить математические вычисления в любой калибровке, то есть с использованием любых конкретных локальных определений зарядов и полей, совместимых с симметрией. Любое симметричное преобразование будет переводить вас из одной калибровки в другую.
Несмотря на то что теория, возможно, будет выглядеть в этих разных калибровках очень по‑разному, симметричность теории гарантирует, что расчеты любой физически измеримой величины не зависят от выбора калибровки, то есть видимые различия иллюзорны и не отражают лежащей в основе физики, которая определяет измеряемые величины всех физически наблюдаемых параметров. Поэтому можно выбирать, в какой калибровке вычисления окажутся проще, с уверенностью, что при расчетах в любой другой калибровке предсказания для физически наблюдаемых величин получатся те же.
Познакомившись со статьями Швингера, Хиггс понял, что при некоторых выбранных калибровках может возникнуть тот же самый конфликт, на который указывал Гилберт в отношении гипотезы Клейна и Ли. Но этот видимый конфликт возникал лишь вследствие выбора калибровки, в других же калибровках он исчезал. А значит, он не отражал никакого реального конфликта с теорией относительности там, где речь шла о проверяемых физических предсказаниях. Может быть, в какой‑нибудь калибровочной теории сделанное Клейном и Ли предложение по избавлению от частиц с нулевой массой, связанных со спонтанным нарушением симметрии, все же сработает.
Хиггс заключил, что спонтанное нарушение симметрии в условиях квантовой теории поля, предусматривающей калибровочную симметрию, возможно в обход теоремы Голдстоуна с приданием массы векторным бозонам, переносящим сильное взаимодействие без всяких лишних безмассовых частиц. Это соответствовало соображениям Андерсона по электромагнетизму в сверхпроводниках в нерелятивистском случае. Иными словами, вполне возможно, что сильное взаимодействие имеет короткий радиус действия из‑за спонтанного нарушения симметрии.
Хиггс потратил пару выходных, чтобы построить модель, в которой электромагнетизм добавлялся к модели, которой пользовался Голдстоун при исследовании спонтанного нарушения симметрии. Хиггс обнаружил ровно то, что ожидал: безмассовая в ином случае мода, которую предсказывала теорема Голдстоуна, стала вместо этого дополнительной поляризационной степенью свободы фотона, который теперь обладал массой. Иными словами, нерелятивистские рассуждения Андерсона о сверхпроводниках действительно приводили к релятивистским квантовым полям. Вселенная, в конечном итоге, могла вести себя как сверхпроводник .
Когда Хиггс расписал свои выводы и представил статью в европейский журнал Physics Letters , в ответ он весьма оперативно получил отказ. Рецензент просто не считал, что содержание статьи имеет отношение к физике элементарных частиц. Поэтому Хиггс добавил несколько абзацев с замечаниями о возможных наблюдаемых следствиях из своей идеи и представил статью в американский журнал Physical Review Letters . В частности, он добавил фразу: «Стоит отметить, что важной особенностью теории данного типа является предсказание неполных мультиплетов скалярных и векторных бозонов».
На нормальном языке это означает: Хиггс продемонстрировал, что, хотя в его модели можно отказаться от безмассовой скалярной частицы (иначе говоря, бозона Голдстоуна) в пользу массивной векторной частицы (массивного фотона), там все равно будет существовать лишняя массивная скалярная (то есть с нулевым спином) частица‑бозон, связанная с полем, конденсат которого, собственно, и нарушает симметрию. Так родился бозон Хиггса.
Physical Review Letters незамедлительно принял статью, но рецензент попросил Хиггса просмотреть работу Франсуа Энглера и Роберта Браута, полученную редакцией примерно за месяц до его статьи, и высказать свое мнение о том, как одна статья соотносится с другой. К удивлению Хиггса, оказалось, что авторы статьи независимо от него пришли приблизительно к тем же результатам. О сходстве между статьями можно судить хотя бы по их названиям. Статья Хиггса называлась «Нарушение симметрий и массы калибровочных бозонов». Работа Энглера и Браута была озаглавлена «Нарушение симметрии и масса калибровочных векторных мезонов». Трудно представить себе более точное совпадение заголовков без прямого согласования.
Будто вдогонку этой замечательной случайности двадцать лет спустя Хиггс встретился с Намбу на какой‑то конференции и узнал, что именно Намбу рецензировал обе статьи. Что может быть уместнее – человек, первым применивший нарушение симметрии и сверхпроводимость в физике элементарных частиц, рецензирует работы тех, кто хотел бы продемонстрировать, насколько дальновидна его идея. И, подобно Намбу, все авторы этих статей были сосредоточены на сильном взаимодействии и на возможности разобраться наконец, как протоны, нейтроны и мезоны могут обладать большими массами.
Дополнительно подтверждая, что время для этого открытия назрело, примерно через месяц еще одна группа ученых – Герард Гуральник, Ричард Хаген и Том Киббл – опубликовала статью, содержавшую многие из этих идей.
Вам, может быть, непонятно, почему мы называем известную частицу бозоном Хиггса, а не бозоном Хиггса – Браута – Энглера – Гуральника – Хагена – Киббла. Помимо очевидного ответа, что такое название трудно произнести, не сломав язык, можно отметить, что единственной из всех статей, где явно предсказывалось существование сопутствующего массивного скалярного бозона в массивных калибровочных теориях со спонтанным нарушением симметрии, была статья Хиггса. И что самое забавное, Хиггс включил в нее это дополнительное замечание только потому, что первоначальная версия статьи, не содержавшая такого замечания, была отвергнута редакцией!
Наконец завершающий поэтический штрих. Через пару лет после публикации первой статьи Хиггс написал более длинную работу, и его пригласили (в 1966 г.) выступить в нескольких местах в США, где он проводил академический отпуск. После выступления Хиггса в Гарварде, где на тот момент профессорствовал Шелдон Глэшоу, последний, говорят, похвалил Хиггса за придуманную им «прекрасную модель» и перешел к следующему вопросу. Он был настолько сосредоточен на сильном взаимодействии, что даже не понял, что гипотеза Хиггса может стать ключом к разрешению тех проблем теории слабого взаимодействия, о которых он сам говорил пятью годами ранее.
Часть третья
Откровение
Глава 17
Чужое место в нужное время
Дата добавления: 2019-09-02; просмотров: 193; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!