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

Подход Вайнберга к физике напоминает неуклонное движение парового катка. Во время моего пребывания в Гарварде мы, новоиспеченные доктора, называли его Большим Стивом. Когда он работал над задачей, лучшее, что вы могли сделать, – это убраться с его пути; в противном случае вам угрожала опасность быть раздавленным громадной мощью его интеллекта и энергии. Пока я не перебрался в Гарвард и был еще в Массачусетском технологическом, мой тогдашний приятель Лоуренс Холл учился в Гарварде. Он опережал меня в своей работе и выпустился из университета раньше. Так вот, он сказал мне, что сумел завершить свою работу, позволявшую получить зачет у Вайнберга, только потому, что Вайнберг совсем недавно (в 1979 г.) получил Нобелевскую премию и последовавшая за этим суматоха вынудила его несколько притормозить, так что Лоуренс успел закончить расчеты, не позволив Вайнбергу его обойти.

Одной из величайших удач в моей жизни была возможность тесно работать с Глэшоу и Вайнбергом в первые, самые важные для формирования ученого годы. После того как Глэшоу помог мне, вытащив из черной дыры математической физики, мы с ним сотрудничали в Гарварде и много лет после. Вайнберг научил меня многому из того, что я знаю о теории элементарных частиц. В МТИ не обязательно посещать занятия, достаточно сдавать экзамены, поэтому я, готовясь там к защите докторской степени, прослушал только один или два курса по физике. Но одним из преимуществ пребывания в МТИ было то, что я мог параллельно посещать занятия в Гарварде. Я записывался на все курсы, которые читал Вайнберг, – а если не записывался, то посещал просто так – начиная с квантовой теории поля и далее. Глэшоу и Вайнберг стали для меня взаимно дополняющими друг друга ролевыми моделями. Я всеми силами старался подражать им – в чем-то одному, в чем-то другому – и при этом признавал, что в сравнении с ними мои «все силы», как правило, выглядели не слишком выигрышно.

Вайнберг испытывал – и испытывает до сих пор – широкий и непреходящий интерес ко всем подробностям квантовой теории поля. Подобно многим другим в начале 1960-х гг., он пытался сосредоточиться на том, как понять природу сильного взаимодействия на базе идеи симметрии, которая, в значительной степени благодаря работе Гелл-Манна, полностью доминировала тогда в этой области физики.

Вайнберг также размышлял о возможном применении идей нарушения симметрии к пониманию масс ядер, как предлагал Намбу; подобно Хиггсу, Вайнберг был сильно разочарован результатами Голдстоуна, согласно которым подобную физику всегда должны сопровождать безмассовые частицы. Поэтому Вайнберг решил, – как он делал почти всегда, когда по-настоящему интересовался какой-то физической идеей, – что должен доказать это самому себе. Так что в его следующей работе, написанной в соавторстве с Голдстоуном и Саламом, приводилось несколько независимых доказательств этой теоремы в контексте сильно взаимодействующих частиц и полей. Вайнберг был настолько подавлен невозможностью объяснить сильное взаимодействие через спонтанное нарушение симметрии, что поставил эпиграфом к статье ответ Лира Корделии: «Из ничего не выйдет ничего. Так объяснись». (Из моей книги «Вселенная из ничего» можно понять, почему я не слишком люблю эту цитату. Квантовая механика размывает грань между чем-то и ничем.)

Впоследствии Вайнберг узнал о выводах Хиггса (и коллег) о том, что можно избавиться от нежелательных безмассовых бозонов Голдстоуна, возникающих при нарушении симметрии, когда она является калибровочной. В этом подходе безмассовые бозоны Голдстоуна исчезают, а безмассовые в ином случае калибровочные бозоны становятся массивными. Однако на Вайнберга эти рассуждения особого впечатления не произвели – он, как и многие другие физики, рассматривал их всего лишь как интересную формальность.

Более того, в начале 1960-х гг. идея о том, что пион напоминает во многих отношениях бозон Голдстоуна, оказалась полезна при выводе некоторых приближенных формул для скорости протекания определенных реакций, вызываемых сильным взаимодействием. В результате мысль об избавлении от бозонов Голдстоуна в сильном взаимодействии отчасти потеряла привлекательность. Вайнберг потратил тогда несколько лет на исследование этих идей. Он построил теорию, по которой некоторые симметрии, связанные, как считалось, с сильным взаимодействием, могут спонтанно нарушаться, а различные участвующие в сильном взаимодействии векторные калибровочные частицы, переносящие сильное взаимодействие, могут обретать массу через механизм Хиггса. Проблема была в том, что он не мог примирить свои рассуждения с результатами наблюдений без ущерба для первоначальной калибровочной симметрии, которая защищала его теорию. Единственный способ избежать этого и сохранить первоначальную калибровочную симметрию, которая была ему необходима, состоял в том, чтобы некоторые векторные частицы были массивными, а остальные остались безмассовыми. Но это противоречило данным эксперимента.

Затем, в один прекрасный день 1967 г., по дороге в МТИ его вдруг озарило, буквально и метафорически. (Мне приходилось ездить со Стивом по Бостону, и, хотя я выжил и могу рассказать об этом, я понимаю, что когда он размышляет о физике, то в принципе перестает воспринимать большие массы, такие как соседние автомобили например.) Вайнберг внезапно понял, что, может быть, он и все остальные применяют верные идеи о спонтанном нарушении симметрии, но не к той задаче! В природе могло существовать два различных векторных бозона – один массивный, а другой с нулевой массой. Векторный бозон с нулевой массой может быть фотоном, а массивный (или массивные) – играть роль того самого массивного переносчика слабого взаимодействия, о котором десятью годами раньше рассуждал Швингер.

Если бы дело обстояло так, то слабое и электромагнитное взаимодействия можно было бы описывать объединенным набором калибровочных теорий, из которых одна соответствовала бы электромагнитному взаимодействию (с нарушенной симметрией), а вторая – слабому взаимодействию с нарушенной калибровочной симметрией, отчего у данного взаимодействия появляется несколько массивных переносчиков.

И в этом случае мир, в котором мы живем, был бы в точности похож на сверхпроводник.

Слабое взаимодействие является слабым из-за простой случайности: базовое состояние полей в нашей нынешней Вселенной нарушает калибровочную симметрию, которая в ином случае управляла бы симметрией слабого взаимодействия. Фотоноподобные калибровочные частицы получают большие массы, и, как и ожидал Швингер, слабое взаимодействие оказывается настолько близкодействующим, что почти сходит на нет уже на расстояниях порядка размеров протонов и нейтронов. Это объясняет также, почему нейтронный распад происходит так медленно.