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

Короче говоря, калибровочная симметрия, как в электромагнетизме, так и в более экзотической гипотезе Янга – Миллса, работает только в том случае, если новые поля, которых требует симметрия, не имеют массы. При всей математической сложности этот единственный факт остается нерушимым.

Но мы не наблюдаем в природе никаких дальнодействующих сил, помимо электромагнетизма и гравитации, в которых был бы задействован обмен безмассовыми частицами. Ядерные взаимодействия имеют малый радиус и действуют только в пределах ядра.

Эта очевидная проблема не ускользнула от внимания Янга и Миллса, и они, если называть вещи своими именами, были выбиты из колеи. Они выдвинули гипотезу, что их новые частицы каким-то образом способны, взаимодействуя с ядром, становиться массивными. Попытавшись чисто теоретически оценить массы этих частиц, они обнаружили, что теория математически слишком сложна и не позволяет дать сколько-нибудь разумной оценки. Им было известно лишь, что из эмпирических соображений масса новых калибровочных частиц должна превышать массу пионов, чтобы они не поддавались обнаружению в поставленных на тот момент экспериментах.

Подобный жест отчаяния мог бы показаться признаком лени или непрофессионализма, но Янг и Миллс, как и Юкава до них, знали, что никому не удалось создать разумную квантово-полевую теорию частицы, подобной фотону, но, в отличие от фотона, имеющей массу. Поэтому в то время казалось, что попытка решить все проблемы квантовой теории поля разом не стоит свеч. Вместо этого они, подобно Джонатану Свифту, но с меньшей непочтительностью, просто представили свою статью как скромную гипотезу, чтобы подстегнуть воображение коллег.

Вольфганг Паули, однако, не мог принять даже такого скромного предположения. Сам он годом раньше тоже обдумывал аналогичные идеи, но отказался от них. Более того, он считал, что все разговоры о квантовых неопределенностях при измерении масс всего лишь ложный след. Если бы в природе действительно существовала новая калибровочная симметрия, связанная с изотопическим спином и управляющая ядерными силами, то новые частицы Янга – Миллса, подобно фотонам, не имели бы массы.

Именно по этим причинам, в частности, статья Янга – Миллса вызвала гораздо меньше шума в то время, чем вызвал позже опус Янга и Ли. Для большинства физиков это была в лучшем случае забавная диковинка, а общее внимание тогда было захвачено недавно открытым нарушением четности.

Но не для Джулиана Швингера, потому что он не был обычным физиком. Этот вундеркинд в восемнадцать лет закончил университет, а в двадцать один год получил степень доктора философии. Трудно найти двух менее похожих физиков, чем Швингер и Фейнман, которые разделили Нобелевскую премию в 1965 г. за независимые, но эквивалентные по смыслу работы, развивающие теорию квантовой электродинамики. Швингер был блестящим и рафинированным ученым с прекрасными манерами. Фейнман был блестящим ученым, но манерами не блистал и рафинированным его никто не назвал бы. Фейнман часто полагался на интуицию и догадки, основанные на опыте и чудесном владении математикой. Швингер во владении математикой нисколько не уступал Фейнману, но работал очень организованно и оперировал сложными математическими выражениями с легкостью, недоступной простым смертным. Он шутил о диаграммах Фейнмана, придуманных для того, чтобы облегчить опасно трудоемкие расчеты в квантовой теории поля; он говорил: «Подобно кремниевым чипам последних лет, диаграмма Фейнмана несет вычисления в массы». Однако у них была и общая черта. Они шагали в разных ритмах… в противоположные стороны.

Швингер воспринял идею Янга – Миллса всерьез. Должно быть, его привлекла математическая красота этой теории. В 1957 г., тогда же, когда было открыто нарушение четности, Швингер сделал дерзкое и на первый взгляд в высшей степени маловероятное предположение о том, что именно для слабого взаимодействия, отвечающего за распад нейтронов с превращением их в протоны, электроны и нейтрино, возможность существования полей Янга – Миллса может оказаться полезной, но в неожиданном и замечательном смысле. Он предположил, что наблюдаемая калибровочная симметрия электромагнетизма может оказаться всего лишь одной частью более масштабной калибровочной симметрии, в которой новые калибровочные частицы служат посредниками для слабого взаимодействия, вызывающего распад нейтронов.

Очевидное возражение против подобного рода объединения состоит в том, что слабое взаимодействие намного слабее электромагнетизма. У Швингера нашелся ответ на это возражение. Если каким-то образом новые калибровочные частицы окажутся очень тяжелыми – почти в тысячу раз тяжелее протонов и нейтронов, то взаимодействие, которое они могут переносить, будет действовать на еще более коротких расстояниях, намного меньших, чем даже размер ядра или даже отдельного протона или нейтрона. В этом случае, если вычислить вероятность того, что такое взаимодействие вызовет распад нейтрона, она окажется мала. Таким образом, если дальность действия слабого взаимодействия мала, то эти новые поля, сила взаимодействия которых с электронами и протонами на малых масштабах была бы сравнима с силой электромагнетизма, могли бы тем не менее на масштабах атомного ядра и более крупных проявляться намного слабее.

Грубо говоря, Швингер высказал дикую идею о том, что электромагнетизм и слабое взаимодействие, несмотря на вопиющие и очевидные различия между ними, представляют собой часть одной теории Янга – Миллса. Он считал, что фотон в принципе мог бы оказаться нейтральным членом комплекта из трех калибровочных частиц, необходимых по Янгу – Миллсу, если рассматривать изотопический спин как калибровочную симметрию; заряженные члены этого комплекта переносят слабое взаимодействие и выступают в роли посредников при распаде нейтронов. Почему при этом заряженные частицы должны обладать громадными массами, притом что фотон безмассовый, он понятия не имел. Но, как я часто говорю, недостаток понимания не свидетельствует ни о существовании Бога, ни об ошибочности гипотезы. Он говорит всего лишь о недостатке понимания.

Швингер был не только блестящим физиком, но и не менее блестящим преподавателем и наставником. Если у Фейнмана было всего несколько успешных учеников (вероятно, потому, что никто из них за ним не поспевал), то у Швингера, кажется, был настоящий талант вести за собой блестящих аспирантов. За свою жизнь он руководил более чем семьюдесятью аспирантами, и четверо его учеников стали впоследствии лауреатами Нобелевской премии.

Швингер заинтересовался возможной связью между слабым взаимодействием и электромагнетизмом в достаточной степени, чтобы рекомендовать эту тему для исследования одному из дюжины своих студентов. Шелдон Глэшоу окончил аспирантуру в 1958 г., защитив диссертацию по этому предмету, и еще несколько лет продолжал исследования в качестве сотрудника Национального научного фонда в Копенгагене. В своей нобелевской лекции двадцать лет спустя Глэшоу сказал, что он и Швингер планировали написать что-нибудь по этому вопросу после защиты Глэшоу, но кто-то из них потерял первую черновую рукопись и больше они к этому вопросу не возвращались.

Глэшоу вовсе не был копией Швингера. Да, он был блестящим ученым и обладал прекрасными манерами, но он также был нахален, игрив и шумен. Исследования Глэшоу не отличались математической акробатикой; их отличала скорее четкая сосредоточенность на физических загадках и интерес к новым возможным симметриям природы, которые могли бы их разрешить.