Фрэнк Вильчек - Красота физики. Постигая устройство природы

Именно Стивен Вайнберг синтезировал эти два подхода – симметрию и нарушение симметрии, чтобы произвести полностью удовлетворительную теорию слабого взаимодействия, которая представлена в современной Главной теории. Но сначала было совершенно неочевидно, что эта теория даст правильные или хотя бы конечные ответы, если принять во внимание квантовые флуктуации. Герард 'т Хоофт и Мартинус Велтман продемонстрировали, что она дает их, и при этом ввели в оборот методы вычислений, которые сделали теорию точнее и полезнее. Фриман Дайсон ранее сослужил подобную службу КЭД, для которой сделать это было намного легче (но все равно трудно).

На одной покрытой водой планете в далекой-далекой галактике рыбы эволюционировали и стали разумными – настолько разумными, что некоторые из них стали физиками и начали изучать, как движутся тела. Сначала рыбы-физики получили очень сложные законы движения, потому что (как мы знаем) движение тел в воде устроено сложно. Но однажды рыба-гений – Рыба Ньютон – сделала предположение о том, что основные законы движения гораздо проще и красивее: в сущности, это законы движения Ньютона. Она предположила, что наблюдаемое движение выглядит сложным из-за влияния вещества – назовем его «водой», – заполняющего мир. С большим трудом рыбам удалось подтвердить теорию Рыбы Ньютона, выделив молекулы воды.

Согласно механизму Хиггса, мы похожи на таких рыб. Мы погружены в космический океан, который усложняет наблюдаемые законы физики.

Уравнения для частиц с нулевой массой, включая уравнения Максвелла, уравнения Янга – Миллса и уравнения Эйнштейна в общей теории относительности, особенно красивы. Как мы уже обсуждали, они могут обеспечивать огромное количество симметрии – локальной симметрии. Фотоны обладают нулевой массой, так же как цветные глюоны в квантовой хромодинамике и гравитоны в теории гравитации. Чтобы иметь красивые уравнения и чтобы наше описание Природы было единообразным, нам хотелось бы создать мир из «кирпичиков» с нулевой массой.

К сожалению, несколько видов элементарных частиц отказываются потакать нашим желаниям. Так, W- и Z -бозоны, которые переносят слабые взаимодействия, имеют значительные массы. (Именно поэтому слабые взаимодействия обладают малым радиусом действия и слабы при низких энергиях.) То, что они обладают массой, досадно, потому что в других отношениях, как мы только что видели, W- и Z- бозоны кажутся удивительно похожими на фотоны.

Можно ли преодолеть это затруднение? Примем во внимание, что на поведение фотонов могут влиять свойства вещества, через которое они проходят. Известный пример: свет замедляется при прохождении сквозь стекло или воду. Это явление, при котором свет становится более «вялым», чем обычно, можно грубо уподобить приобретению светом инерции. Менее знакомый, но более глубокий для наших текущих целей пример – поведение фотонов внутри сверхпроводников. Уравнения, описывающие фотоны в сверхпроводниках, математически идентичны уравнениям для частицы с массой. Внутри сверхпроводника фотоны эффективно становятся частицами с ненулевой массой.

Сущность механизма Хиггса в идее о том, что «пустое пространство» – т. е. пространство, лишенное частиц и излучения, – на самом деле заполнено материальной средой, которая делает W- и Z- бозоны массивными. Эта идея позволяет нам сохранить красивые уравнения для безмассовых частиц, при этом относясь с надлежащим уважением к мнению действительности. Итак, нам нужна среда, которая делает для W- и Z- бозонов то же самое, что сверхпроводники делают для фотонов. Более того, гипотетическая космическая среда должна создавать массы гораздо большего масштаба: массы W и Z в (не) пустом пространстве примерно в 1016 раз больше, чем массы фотонов в сверхпроводниках.

Физики обращались к механизму Хиггса многие годы и, используя его, шли от успеха к успеху. Многие аспекты взаимодействий W- и Z- бозонов, помимо их масс, были точно предсказаны с использованием красивых уравнений для безмассовых частиц и калибровочных симметрий с их следствиями, модифицированными заполняющим пространство веществом. Так мы собрали убедительную сумму доводов в пользу существования нашего собственного «космического океана». Но в конечном счете эта версия основывалась на косвенных доказательствах. Не было никакого четкого ответа на очевидный вопрос: из чего он сделан?

Ни одно известное вещество не могло быть основой космического океана. Никакая комбинация известных кварков, лептонов, глюонов или других частиц не имела нужных для этого свойств. Нужно было что-то новое.

В принципе космический океан Хиггса мог бы состоять из нескольких веществ, и сами эти вещества могли бы быть составными. Литература по теоретической физике элементарных частиц содержит сотни, если не тысячи, предложений такого вида. Но среди всех логичных возможностей есть так называемая минимальная модель – самая простая и самая экономная. В этой минимальной модели космическое вещество состоит всего из одного ингредиента. Хотя принятая в этой области терминология сбивает с толку и к тому же постоянно меняется, здесь, когда я говорю о «частице Хиггса», я буду иметь в виду уникальную новую частицу [75] После сообщения об обнаружении бозона Хиггса в прессе поднялась шумиха, в процессе которой родился еще один «термин» – «частица Бога». – Прим. науч. ред. , которая была введена, чтобы завершить минимальную модель.

Илл. 36. Эта схема изображает процесс, в результате которого частица Хиггса была получена с помощью глюонов и впервые обнаружена экспериментально – блестящий пример, в котором можно видеть, как работают сообща многие аспекты Главной теории и глубокие принципы квантовой теории

Мы можем сделать много выводов о том, как частица Хиггса взаимодействует с другими формами материи. В конце концов, раз мы находимся внутри этого космического океана, мы все наблюдаем свойства частиц Хиггса в массе с незапамятных времен. Фактически все свойства этой частицы предсказываются единственным образом, как только становится известна ее масса. Например, ее спин и электрический заряд должны быть равны нулю, потому что она должна быть похожа на квант «ничего». Так как мы знали, что мы ищем, стало возможно разработать разумную стратегию поиска частицы Хиггса. Ключевой процесс, с помощью которого была обнаружена частица Хиггса, изображен на илл. 36.