Вскоре выяснилось, что электромагнитное поле (а следовательно, и квантовая электродинамика) обладают локальной симметрией; её называют локальной калибровочной симметрией, а общая теория носит наименование калибровочной теории. Чтобы понять, откуда берётся локальная симметрия, рассмотрим чисто электрическое поле. Известно, что изменение поля в отдельных точках повлияет на поле в целом. Однако в случае комбинированного электромагнитного поля при изменении электрической составляющей автоматически изменяется так называемый магнитный потенциал, компенсирующий изменение электрического поля. Поэтому электромагнитное поле обладает локальной калибровочной инвариантностью (т.е. остаётся инвариантным).
Затем возник вопрос: не обладают ли локальной калибровочной симметрией также слабые и сильные взаимодействия? При детальном рассмотрении оказалось, что нет. Правда, в то время немногие понимали, насколько важна локальная калибровочная симметрия; большинство полагало, что это странный каприз природы. Оставалась ещё и такая возможность: наличие локальной калибровочной симметрии, скажем, у комбинации слабого и электромагнитного полей, а не у слабого и сильного по отдельности.
В самом деле, не являются ли электромагнитное и слабое поля всего лишь различными проявлениями одного и того же поля? Именно к такому убеждению пришёл Джулиус Швингер, который и поручил найти необходимую связь своему студенту Шелдону Глэшоу. Глэшоу разработал такую теорию, объединяющую оба поля, но вскоре оказалось, что она неудачна.
В 1954 году был получен результат, подтверждавший догадку Швингера, хотя это стало ясно совсем не сразу. Два работавших в Брукхейвене физика Чжэньин Янг и Роберт Миллс задались вопросом, как превратить глобальную калибровочную теорию в локальную. Решая эту задачу, они рассматривали так называемый изоспин – одну из характеристик частиц. Считается, что протон и нейтрон – это два состояния одной и той же частицы, различающиеся только изоспином; одно состояние изоспина соответствует протону, а другое – нейтрону.
Янгу и Миллсу было ясно, что эта система обладает глобальной симметрией, но они хотели выяснить, как обеспечить и локальную симметрию. Оказалось, что для этого нужно добавить новое поле. Однако здесь возникла трудность – согласно предложенной ими теории частица-переносчик должна быть безмассовой, в то время как сильные взаимодействия переносятся частицами, имеющими массу. Иными словами, метод Янга-Миллса не мог как следует применяться ни к сильным, ни к слабым взаимодействиям, поэтому теорией Янга и Миллса долгие годы никто не интересовался.
Слабые взаимодействия
В 20-е годы было замечено, что при некоторых реакциях энергия не сохраняется – атомы испускают ?-частицы (электроны, обладающие большой скоростью) с меньшей энергией, чем ожидалось. Паули предположил, что недостающую энергию уносит невидимая частица, образующаяся в ходе реакции. Вскоре Ферми назвал эту частицу нейтрино. Считалось, что её очень трудно обнаружить, поскольку она не имеет ни заряда, ни, возможно, массы. И действительно, её с большими трудностями удалось зарегистрировать только в 1956 году.
Одна из наиболее важных реакций с участием нейтрино – распад свободного нейтрона; он распадается на электрон, протон и антинейтрино примерно за 12 мин. Эта реакция называется ?-распадом. В ходе распада проявляется слабое взаимодействие, а значит в нём участвует W-частица; это наиболее изученное проявление слабого взаимодействия.
Первая теория слабых взаимодействий, вернее ?-распада, была предложена Энрико Ферми, итальянским физиком, эмигрировавшим 192 в США вскоре после прихода к власти Муссолини. Хотя он в основном известен как создатель атомного «котла», где впервые удалось провести незатухающую реакцию деления, вклад Ферми в физику этим далеко не ограничивается. Его теория ?-распада оказалась весьма удачной, но вскоре стало ясно, что она нуждается в дополнениях.
В середине 50-х годов произошло важное событие – было обнаружено несохранение чётности (зеркального отражения процесса) при слабых взаимодействиях. Сохранение чётности считалось само собой разумеющимся на протяжении многих лет, пока китайские физики Тзундао Ли и Чженьин Янг не начали изучать это явление. Особенно их интересовал распад частицы, называемой K-мезоном. В то время считалось, что в этой реакции участвуют две частицы ?-(тау) и ?-(тета). Но странным было то, что если не считать распад, все их свойства были совершенно одинаковыми. Янг и Миллс предположили, что это одна и та же частица, и решили посмотреть, какие это будет иметь следствия. Оказалось, что они действительно могли быть одной и той же частицей при условии несохранения чётности. Поначалу это казалось невероятным – все знали, что чётность сохраняется. Однако, внимательно изучив литературу, Ли и Янг выяснили, что никто и никогда этого экспериментально не проверял. В 1956 году учёные опубликовали свои результаты, а через несколько месяцев сотрудница Колумбийского университета Цзиньсян By подтвердила правильность их предположений. В 1957 году Ли и Янг были удостоены Нобелевской премии по физике.
Так впервые выяснилось, что симметрия может нарушаться, и учёные стали подумывать, не нарушается ли она ещё где-нибудь кроме слабых взаимодействий. В числе других этим заинтересовался Стивен Вайнберг, работавший в Массачусетском технологическом институте. Он узнал о нарушении симметрии в 1961 году и, как сказал позднее, «…сразу влюбился в эту идею, но не понимал, что из неё может следовать». В основном Вайнберга смущали массивные мезон и W-частица, в то время как частицы-переносчики должны были бы быть лишены массы. Однако, несмотря на это, он в течение почти двух лет занимался нарушением симметрии при сильных взаимодействиях. Вайнберг пытался как-то включить в свой подход теорию Янга-Миллса, но безмассовые частицы никак не хотели обретать массу.
Выход нашли английские учёные Хиггс и Киббл. Они показали, что если нарушается локальная калибровочная симметрия, некоторые из частиц-переносчиков (называемых также калибровочными частицами) обретают массу. Правда, это становилось возможным, если с вакуумом связано ещё одно, пока не наблюдавшееся поле. Вайнбергу такая идея очень понравилась, и он тут же попробовал применить её к своей работе, к теории сильных взаимодействий. Вскоре он показал, что из этого ничего не выйдет. «Осенью 1967 года по пути в Массачусетский технологический институт я вдруг понял, что применял верный подход, но не к той задаче, к которой было нужно», – вспоминал позже Вайнберг.
Стивен Вайнберг (родился в 1933 году)
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 Z0.
Рассмотрим подробней, как работает механизм Хиггса. Проще всего считать, что сначала все частицы-переносчики не имеют массы. Затем W ±- и Z0-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 Z0-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.
