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

В конце концов, максвелловское объединение электричества и магнетизма позволило сделать чудесное предсказание о том, что свет – это электромагнитная волна, скорость которой можно вычислить из первичных принципов, и – кто бы мог подумать! – измеренная скорость света оказалась равна предсказанной. Эйнштейновское объединение пространства и времени позволило предсказать замедление часов для движущихся наблюдателей, и – смотри-ка! – они действительно замедляются, причем именно так, как предсказано. В 1967 г. объединение слабого и электромагнитного взаимодействий Глэшоу – Вайнберга – Салама предсказало три новых векторных бозона, которые были почти в сто раз тяжелее любой обнаруженной к тому времени частицы. Она предсказала также новые типы взаимодействия вещества с электронами и нейтрино благодаря новопредсказанной Z-частице, которую не только никто до той поры не видел, но само существование которой ставилось под сомнение данными многих экспериментов. Она также требовала существования нового и тоже никем не виданного до той поры массивного фундаментального скалярного бозона – частицы Хиггса, притом что никаких фундаментальных скалярных частиц на тот момент известно не было. И наконец, если говорить о ней как о квантовой теории, никто вообще не знал, имеет ли она смысл.

Поэтому нисколько не удивительно, что эта идея не произвела сразу же эффекта разорвавшейся бомбы. Тем не менее не прошло и десяти лет, как все переменилось, и в физике элементарных частиц начался самый продуктивный в плане теории период после открытия квантовой механики. И хотя калибровочная теория слабого взаимодействия дала старт этому процессу, результат оказался гораздо масштабнее.

Первой трещинкой в дамбе, сдерживающей воды прогресса, стала в 1971 г. работа голландского магистранта Герарда ’т Хоофта. Я навсегда запомнил, как пишется его имя, потому что один из моих особенно талантливых и остроумных бывших коллег по Гарварду, покойный Сидни Коулмен, шутил, что если бы у Герарда были запонки с монограммой, то и на них пришлось бы поставить апостроф. До 1971 г. многие крупнейшие теоретики мира пытались понять, пропадут ли расходимости – настоящее проклятие в большинстве квантовых теорий поля – в калибровочных теориях со спонтанным нарушением симметрии, как они пропадали в аналогичных теориях без нарушения симметрии. Но ответ постоянно ускользал. Интересно, что доказательство, которого не заметили другие, нашел молодой магистрант, работавший под руководством закаленного профессионала – Мартина Вельтмана. Нередко мы, физики, увидев какой-то новый результат, способны быстро вникнуть в детали и представить, как и сами могли бы сделать это открытие. Но многие озарения ’т Хоофта – а их было много, поскольку почти все новые идеи 1970-х гг. так или иначе проистекали из его теоретических изобретений, – исходили, кажется, из какого-то скрытого от глаз резервуара интуитивных знаний.

Еще одна замечательная черта Герарда – его мягкость, скромность и стеснительность. От человека, который прославился в своей области еще студентом, можно было бы ожидать некоторого чувства собственного превосходства. Но с самой первой нашей встречи – еще раз: я тогда был зеленым магистрантом – Герард относился ко мне как к интересному другу, и мне приятно сказать, что наша дружба продолжается. Я всегда стараюсь помнить о его отношении, когда встречаюсь с молодыми студентами; иногда они кажутся стеснительными или напуганными, но я всегда стараюсь следовать примеру Герарда и подражать его открытому великодушию.

Его научный руководитель Тини Вельтман, как его часто называли, производил совершенно противоположное впечатление. Не то чтобы с Тини нельзя было приятно пообщаться. Это не так. Но он всегда с самого начала разговора давал мне ясно понять: что бы я ни сказал, я все равно недостаточно понимаю суть дела. Я всегда получал удовольствие от его интеллектуальных провокаций.

Важно отметить, что ’т Хоофт никогда не взялся бы за эту задачу, если бы Вельтман не был одержим ею, хотя большинство остальных ученых уже сдались и отказались от борьбы. Идею о том, что кому-то в конце концов удастся расширить методы, разработанные Фейнманом и другими учеными для обуздания квантовой электродинамики, и применить их к более сложным теориям, таким как теория Янга – Миллса со спонтанными нарушениями симметрии, многие специалисты считали попросту наивной. Но Вельтман упрямо продолжал работать над проектом, и он мудро подобрал себе в помощь магистранта, который к тому же оказался гением.

Потребовалось некоторое время, чтобы идеи ’т Хоофта и Вельтмана проникли в сознание их коллег, а новые методы, разработанные ’т Хоофтом, получили общее признание, но уже через год или около того физики согласились, что теория, предложенная Вайнбергом, а позже Саламом, имеет смысл. Цитирование статьи Вайнберга внезапно стало экспоненциально расти. Однако «имеет смысл» и «верна» – две разные вещи. Неужели природа действительно воспользовалась той самой теорией, что предложили Глэшоу, Вайнберг и Салам?

Довольно долго этот ключевой вопрос оставался открытым, и некоторое время даже казалось, что ответ должен быть «нет».

Важным нововведением этой теории было требование существования новой нейтральной частицы Z помимо заряженных частиц, предложенных несколькими годами ранее Швингером и другими и необходимых для превращения нейтронов в протоны, а электронов в нейтрино. Оно означало, что должен существовать еще один тип слабого взаимодействия, не только для электронов и нейтрино, но и для протонов и нейтронов, передаваемый путем обмена этими новыми нейтральными частицами. В данном случае, как и в электромагнетизме, тип взаимодействующих частиц меняться не должен. Такие взаимодействия получили известность как взаимодействия посредством нейтральных токов, и очевидным способом проверки данной теории был поиск таких взаимодействий. А искать их лучше всего было в поведении тех единственных в природе частиц, которые чувствуют только слабое взаимодействие, а именно нейтрино.

Возможно, вы помните, что предсказание нейтральных токов было одной из причин, по которым не сработала гипотеза, предложенная Глэшоу в 1961 г. Но модель Глэшоу не была полноценной теорией. Массы частиц просто вставлялись в уравнения вручную, а потому контролировать квантовые поправки было невозможно. Однако, когда Вайнберг и Салам предложили свою модель для электрослабого объединения, уже имелись все необходимые для детальных предсказаний элементы. Масса Z-частицы была предсказана и, как показал ’т Хоофт, появилась возможность надежно рассчитать все квантовые поправки, в точности так, как это делалось для квантовой электродинамики.