Барри Паркер - Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Применив новый подход (называемый сейчас механизмом Хиггса) к комбинации электромагнитного и слабого взаимодействий, Вайнберг обнаружил, что из теории следует существование трёх массивных калибровочных частиц и одной безмассовой, – как раз то, что требовалось. Одна из массивных частиц – W -частица, а безмассовая – фотон. А какая же массивная и нейтральная частица остаётся? Очевидно, это одна из предсказанных частиц, называемая Z 0.

Рассмотрим подробней, как работает механизм Хиггса. Проще всего считать, что сначала все частицы-переносчики не имеют массы. Затем W ±- и Z 0-частицы поглощают частицы Хиггса и приобретают массу, а частицы Хиггса превращаются в «призраков». Фотон не поглощает частицу Хиггса и, следовательно, остаётся безмассовым. В шутку об этом говорят так: W ±- и Z 0-частицы пожирают частицы Хиггса и толстеют, а фотон постится и остаётся худеньким. Интересно, что непоглощённая частица Хиггса сейчас в принципе может быть обнаружена, и ожидается, что она будет зарегистрирована в ближайшие годы.

Создание теории Вайнберга означало объединение «под одной крышей» слабого и электромагнитного полей. Теорию, приводившую к аналогичным результатам, примерно в то же время, что и Вайнберг, разработал пакистанский физик Абдус Салам.

Казалось бы, достигнутое объединение должно было вызвать взрыв восторга и интереса в научных кругах. Как ни странно, этого не произошло; публикация прошла почти незамеченной. В последующие четыре года на неё сослалось человек пять. Дело в том, что эту теорию нельзя перенормировать. И Вайнберг и Салам были убеждены, что её можно привести к перенормируемому виду, но несмотря на все усилия, им этого сделать не удалось.

Итак, теория прекрасна, но считать с её помощью нельзя. К счастью, в один прекрасный день 1971 года в кабинет профессора Утрехтского университета Мартина Вельтмана зашёл молодой выпускник Жерар Хофт и попросил дать ему какую-нибудь теоретическую задачу. «Я имею в виду трудную задачу, – сказал Хофт, – такую, которую ещё никто не мог решить.» В то время Вельтман работал над очень трудной проблемой перенормировки, о которой говорилось выше, и у него вроде бы что-то получалось. Некоторые бесконечности на диаграммах сокращались, но отнюдь не все; более того, проблема в целом утопала в массе запутанных диаграмм, дававших сплошные бесконечности, и, казалось, без помощи компьютера в них вообще нельзя разобраться. Объяснив что к чему, Вельтман поручил заняться этой задачей Хофту, хотя и не очень надеялся на успех.

Через пару месяцев Хофт вновь зашёл к Вельтману и сообщил, что решил задачу. Вельтман с сомнением выслушал его. Каково же было его удивление, когда он обнаружил, что идеи Хофта имеют смысл. По предложенной Хофтом методике он составил программу для ЭВМ, и оказалось, что на каждую отрицательную бесконечность находится положительная, так что в итоге они все сокращаются. Теорию удалось сделать перенормируемой! Очень скоро все бросились разыскивать статьи Салама и Вайнберга 1967 года – ведь теперь они позволяли выполнять расчёты, которые, как оказалось, прекрасно соответствуют эксперименту. Дальнейшим подтверждением теории явилось открытие предсказанных ею нейтральных токов, связанных с Z 0-частицами. В 1979 году Вайнбергу и Саламу, а также Шелдону Глэшоу была присуждена за их работу Нобелевская премия по физике.

В начале 50-х годов число «элементарных» частиц стало превышать все разумные пределы. Некоторые из них гораздо больше походили на «резонансы», чем на элементарные частицы. Они вели себя как короткоживущие возбуждённые состояния известных частиц. Естественно, возник вопрос, как частицы связаны между собой и есть ли вообще эта связь?

Среди вновь открытых частиц особенно загадочными выглядели K -мезоны и гипероны. Они рождались в ходе сильных взаимодействий и, как все тяжёлые частицы, распадались за короткое время – менее чем за одну миллиардную долю секунды. Может показаться, что это невероятно короткое время, но только не для физиков: если бы частицы распадались в результате сильных взаимодействий, время распада должно было бы быть ещё в миллиард раз меньше. Большой срок жизни означает, что распад происходит в результате слабых взаимодействий. Поведение частиц было настолько необычным, что их так и назвали странными.

Примерно в 1953 году поведением этих частиц занялся Мюррей Гелл-Манн. Как Швингер и Фейнман, Гелл-Манн тоже был вундеркиндом. В 15 лет он поступил в Йельский университет, а закончил Массачусетский технологический институт, защитив в 21 год докторскую диссертацию. В 1955 году он занял профессорскую должность в Калифорнийском технологическом институте, не достигнув и 27 лет. В отличие от многих своих коллег он интересовался не только физикой и математикой. Я сам слышал, как перед одной из его лекций ведущий произнёс: «Профессор Гелл-Манн говорит на всех существующих языках и даже по-собачьи».

Занявшись новыми частицами, Гелл-Манн вскоре ввёл понятие «странность». Странность – это новое квантовое число, подобное уже известным. Странность нейтронов, протонов и пионов равна нулю, а такие частицы, как K -мезоны и гипероны, имеют странность, равную +1, -1 и -2. Согласно теории Гелл-Манна, введённое им число сохраняется при всех ядерных реакциях с участием сильных взаимодействий. Это означает, что полная странность до реакции должна быть равна полной странности после реакции. С помощью своей идеи ему удалось объяснить большое время жизни странных частиц.

В 1961 году Гелл-Манн и израильский физик Ювал Нееман применили теорию групп в новом методе, который они назвали восьмеричным (он основывается на восьми квантовых числах). При помощи этого метода им удалось распределить элементарные частицы по семействам в зависимости от таких параметров, как странность и изотопический спин. В результате получились изображённые ниже структуры. На левой верхней схеме изображено семейство n - p , состоящее из нейтрона, протона и частиц ?, ?, ?. Некоторые из семейств имеют восемь членов, другие – десять, но все члены одного семейства имеют одинаковый спин и различаются лишь зарядом и странностью.

Полученные диаграммы чем-то похожи на периодическую систему элементов. Её автор, Д. И. Менделеев, создавая свою систему, не знал, почему элементы в ней располагаются именно так (это выяснилось гораздо позже), но увидел, что в ней остаются пустые клетки. Это позволило ему предсказать существование ряда неизвестных ранее элементов. Гелл-Манн и Нееман также не понимали смысла своих диаграмм, но, как и в периодической системе, одна из них оказалась не до конца заполненной (пустым оставался нижний угол треугольника). Благодаря диаграмме оказалось возможным предсказать свойства неизвестной частицы, и в Брукхейвене начались её интенсивные поиски. Пришлось сделать более 50 тысяч фотографий, но в 1963 году её всё-таки удалось найти. До того многие физики скептически относились к работе Гелл-Манна, полагая, что это несерьёзное, хотя и занятное жонглирование цифрами. Однако открытие предсказанной им частицы, получившей название ? -(омега минус), заставило научный мир пересмотреть своё отношение. Это был триумф новой методики.