Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

Квантовая электродинамика, развитая Фейнманом, Швингером и Томонагой, является наиболее точной из известных ныне физических теорий. Правильность ее подтверждена экспериментально в широком диапазоне масштабов — от субатомных до астрономических. Поэтому Фейнману, Швингеру и Томонаге была присуждена Нобелевская премия по физике 1965 г. «за фундаментальные работы по квантовой электродинамике, имевшие глубокие последствия для физики элементарных частиц» [57] Очень велик вклад в нее и Фримена Джона Дайсона (р. 1923), который смог прояснить связи между их подходами, доказать, что в КЭД ничего, кроме заряда и массы, перенормировать не нужно (Нобелевская премия Дайсону не досталась, так как по статуту ее могут получить лишь три человека). Он известен также своими работами в теории поля. Дайсон глубоко религиозен и написал большой трактат о связи науки и религии. . В речи на церемонии вручения премии Ивар Валлер из Шведской королевской академии наук отметил, что лауреаты привнесли новые идеи и методы в старую теорию и создали новую, занимающую ныне центральное положение в физике. Она не только объясняет прежние расхождения между теорией и экспериментом, но и позволяет глубже понять поведение мю-мезона и других частиц в ядерной физике, проблемы твердого тела и статистической механики.

КЭД продолжает развиваться как в направлении уточнения общей теории, так и в многочисленных приложениях к другим областям физики.

Слабое взаимодействие, которое обуславливает распад частиц, гораздо слабее электромагнитного, но много сильнее гравитационного взаимодействия между частицами. Если сравнивать между собой скорости процессов при одинаковой характерной энергии частиц в 1 ГэВ (миллиард электронвольт), то электромагнитные процессы протекают в тысячу раз медленнее сильных, а слабые — примерно в сто миллиардов раз медленнее электромагнитных. Если сильное взаимодействие между частицами происходит на расстояниях порядка размеров ядра или несколько больших, то слабое взаимодействие заметно лишь на много меньших расстояниях.

И тем не менее без слабого взаимодействия невозможны термоядерные процессы в недрах звезд, радиоактивные распады и т. д. А важнейшая его особенность в том, что вероятность слабых процессов быстро нарастает с ростом энергии — на расстояниях в сто миллионов раз меньших размеров ядра его интенсивность уже сравнивается с интенсивностью электромагнитных процессов, а дальше начинает их превосходить.

Первую теорию бета-распада, как мы говорили, построил Э. Ферми еще в 1934 г. По этой теории нейтрон превращался одномоментно в протон, электрон и антинейтрино, причем имелось пять вариантов этой теории, и долго казалось, что разные эксперименты говорят, для разных случаев, в пользу разных теорий — поэтому очень долго проводились расчеты всех вариантов и все они проверялись. После открытия несохранения четности число возможных вариантов, по крайней мере, удвоилось, и теория стала казаться необозримой.

Только к 1957 г. М. Гелл-Манн и Р. Фейнман, а также Р. Маршак (1916–1996) и Э. Сударшан (р. 1931) независимо установили, уже с учетом несохранения четности, правильный вариант этой четырехфермионной теории слабого взаимодействия — оказалось, что оно, как и КЭД, носит векторный характер. Но на этом сходство с КЭД кончалось. Графики Фейнмана для таких процессов выглядели как-то неэстетично: в КЭД все ясно — заряженная частица испускает или поглощает фотон, т. е. все взаимодействия сводятся к тому, что выражение для тока этой частицы умножается на потенциал электрического поля. А тут, видите ли, в одной точке встречаются сразу четыре линии!

Поэтому, по аналогии, могла возникнуть такая мысль: попробуем ввести новый тип тока, который может изменять заряд частиц, скажем, барионный ток, превращающий в момент взаимодействия протон в нейтрон, но испускающий при этом не фотон с нулевым зарядом, а какую-то заряженную частицу (без изменения барионного или лептонного заряда). Если при этом ввести аналогичный лептонный ток, превращающий при поглощении этой промежуточной частицы электрон в нейтрино или позитрон в антинейтрино (можно, конечно, и наоборот), то удалось бы построить график Фейнмана для бета-распада таким же образом, как в КЭД. Но только при этом, вместо обмена фотоном, шел бы обмен между двумя токами этим самым промежуточным мезоном (его спин должен обязательно быть целым, т. е. он должен быть бозоном).

В 1960 г. Шелдон Глэшоу попытался объединить именно на такой основе электромагнетизм и слабое взаимодействие. Его подход предсказывал существование четырех частиц — переносчиков взаимодействий. Одна из них, очевидно, должна быть фотоном, переносящим электромагнитное взаимодействие. Остальные три частицы, которые он обозначил как W +, W - и Z 0, должны быть безмассовыми переносчиками слабого взаимодействия.

Теория эта страдала явными недостатками. Во-первых, частица, имеющая электрический заряд, не может не иметь массу — она ведь может виртуально испускать-поглощать фотоны, а следовательно, должна обладать какой-то инерцией. Во-вторых, радиус электромагнитных взаимодействий бесконечен, и связано это с тем, что масса фотона равна нулю. А вот у слабых взаимодействий радиус действия очень мал, поэтому масса промежуточных мезонов должна быть очень велика — тогда, согласно принципу неопределенностей, они возникают лишь на короткое время, и в следующем варианте теории Глэшоу постулировал большие массы бозонов и W +, W - и Z 0, но и при этом из теории следовало, что некоторые слабые взаимодействия должны осуществляться и с бесконечной силой.

Множество исследований в этом направлении оставалось безрезультатным, пока в 1967 г. к этой работе не подключился Стивен Вайнберг [58] Необходимо обратить внимание на его блестящую книгу: Вайнберг С Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. М.: Энергоиздат, 1981. , одноклассник и друг Глэшоу (они оба ученики Швингера), сумевший преодолеть громадные математические трудности. Прямое постулирование массы частиц невозможно — в такой теории не удается избежать бесконечностей вроде тех, что были ранее преодолены в КЭД. И Вайнберг предлагает использовать в этой теории механизм спонтанного нарушения симметрии: так называемый механизм Хиггса (о нем чуть ниже).

Решение, которое построил Вейнберг, показывает, через механизм Хиггса, что фотон по-прежнему остается безмассовым, а остальные три частицы приобретают массу. (Такую же теорию независимо от них и с аналогичной процедурой перенормировки построил гораздо более опытный А. Салам.) В этой теории электромагнитные и слабые взаимодействия уравниваются по силе при крайне высоких энергиях. Однако, массы W- и Z -бозонов слабо влияют на процесс, поскольку обмен ими в пределе высоких энергий в точности таков же, как и обмен фотонами, а силы слабого взаимодействия столь же сильны, как и электромагнитные. Но при более низких энергиях частицы W- и Z образуются редко, так что слабые взаимодействия проявляются на меньших расстояниях, чем электромагнитные. (Отметим, что температуры и энергии земной физики, очевидно, таковы, что разница между этими двумя силами проявляется больше, чем их сходство.)