Лоуренс Краусс - Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй

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.