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

Впоследствии Вайнберг узнал о выводах Хиггса (и коллег) о том, что можно избавиться от нежелательных безмассовых бозонов Голдстоуна, возникающих при нарушении симметрии, когда она является калибровочной. В этом подходе безмассовые бозоны Голдстоуна исчезают, а безмассовые в ином случае калибровочные бозоны становятся массивными. Однако на Вайнберга эти рассуждения особого впечатления не произвели – он, как и многие другие физики, рассматривал их всего лишь как интересную формальность.

Более того, в начале 1960-х гг. идея о том, что пион напоминает во многих отношениях бозон Голдстоуна, оказалась полезна при выводе некоторых приближенных формул для скорости протекания определенных реакций, вызываемых сильным взаимодействием. В результате мысль об избавлении от бозонов Голдстоуна в сильном взаимодействии отчасти потеряла привлекательность. Вайнберг потратил тогда несколько лет на исследование этих идей. Он построил теорию, по которой некоторые симметрии, связанные, как считалось, с сильным взаимодействием, могут спонтанно нарушаться, а различные участвующие в сильном взаимодействии векторные калибровочные частицы, переносящие сильное взаимодействие, могут обретать массу через механизм Хиггса. Проблема была в том, что он не мог примирить свои рассуждения с результатами наблюдений без ущерба для первоначальной калибровочной симметрии, которая защищала его теорию. Единственный способ избежать этого и сохранить первоначальную калибровочную симметрию, которая была ему необходима, состоял в том, чтобы некоторые векторные частицы были массивными, а остальные остались безмассовыми. Но это противоречило данным эксперимента.

Затем, в один прекрасный день 1967 г., по дороге в МТИ его вдруг озарило, буквально и метафорически. (Мне приходилось ездить со Стивом по Бостону, и, хотя я выжил и могу рассказать об этом, я понимаю, что когда он размышляет о физике, то в принципе перестает воспринимать большие массы, такие как соседние автомобили например.) Вайнберг внезапно понял, что, может быть, он и все остальные применяют верные идеи о спонтанном нарушении симметрии, но не к той задаче! В природе могло существовать два различных векторных бозона – один массивный, а другой с нулевой массой. Векторный бозон с нулевой массой может быть фотоном, а массивный (или массивные) – играть роль того самого массивного переносчика слабого взаимодействия, о котором десятью годами раньше рассуждал Швингер.

Если бы дело обстояло так, то слабое и электромагнитное взаимодействия можно было бы описывать объединенным набором калибровочных теорий, из которых одна соответствовала бы электромагнитному взаимодействию (с нарушенной симметрией), а вторая – слабому взаимодействию с нарушенной калибровочной симметрией, отчего у данного взаимодействия появляется несколько массивных переносчиков.

И в этом случае мир, в котором мы живем, был бы в точности похож на сверхпроводник.

Слабое взаимодействие является слабым из-за простой случайности: базовое состояние полей в нашей нынешней Вселенной нарушает калибровочную симметрию, которая в ином случае управляла бы симметрией слабого взаимодействия. Фотоноподобные калибровочные частицы получают большие массы, и, как и ожидал Швингер, слабое взаимодействие оказывается настолько близкодействующим, что почти сходит на нет уже на расстояниях порядка размеров протонов и нейтронов. Это объясняет также, почему нейтронный распад происходит так медленно.

Массивные частицы, передающие слабое взаимодействие, должны выглядеть для нас в точности как выглядели бы фотоны для гипотетических физиков, живущих внутри сверхпроводника. Потому и различие между электромагнетизмом и слабым взаимодействием столь же иллюзорно, как и та разница, которую физики на ледяном кристалле морозного узора на оконном стекле заметили бы между силами, действующими вдоль ребра своего кристалла и поперек него. И только простой случайностью объясняется тот факт, что одна калибровочная симметрия нарушается в мире нашего опыта, а другая – нет.

Вайнберг хотел избежать рассуждений о частицах, участвующих в сильном взаимодействии, поскольку ситуация там по-прежнему была запутанной. Поэтому он решил заняться частицами, взаимодействующими только посредством слабого или электромагнитного взаимодействия, а именно электронами и нейтрино. Поскольку слабое взаимодействие превращает электроны в нейтрино, ему нужно было придумать такой набор заряженных векторных фотоноподобных частиц, который производил бы такую трансформацию. Эти частицы не что иное, как заряженные векторные бозоны, существование которых предположил Швингер; традиционно их называют W+– и W-бозонами.

Поскольку слабое взаимодействие смешивает друг с другом только левые электроны и нейтрино, один из типов калибровочной симметрии должен обусловливать взаимодействие с W-частицами только левых частиц. Но поскольку и левые, и правые электроны взаимодействуют с фотонами, калибровочная симметрия электромагнетизма тоже должна быть включена в эту единую модель таким образом, чтобы левые электроны могли взаимодействовать и с фотонами, и с новыми заряженными W-бозонами, а правые электроны взаимодействовали бы только с фотонами, но не с W-частицами.

Математически единственным способом добиться этого – как выяснил Шелдон Глэшоу, размышляя об электрослабом объединении шестью годами ранее, – могло бы быть существование дополнительного нейтрального слабого бозона, с которым правые и левые электроны могли взаимодействовать, помимо взаимодействия с фотонами. Этот новый бозон Вайнберг назвал Z, от слова zero, нуль.

Далее, в природе должно существовать некое новое поле, которое образует конденсат в пустом пространстве, вызывающий спонтанное нарушение симметрий, управляющих слабым взаимодействием. Элементарная частица, связанная с этим полем, представляет собой массивный бозон Хиггса, тогда как остальные гипотетические бозоны Голдстоуна должны быть проглочены W- и Z-бозонами, чтобы придать им массу посредством предложенного Хиггсом механизма. При этом единственным калибровочным бозоном с нулевой массой остается фотон.

Но этого мало. В силу введенной им калибровочной симметрии новая хиггсовская частица у Вайнберга взаимодействует также с электронами, а когда образуется конденсат, появляются массы у электронов, а также W- и Z-частиц. Таким образом, эта модель не только объясняет массы калибровочных частиц, передающих слабое взаимодействие, и, следовательно, определяет силу этого взаимодействия, но вдобавок то же самое хиггсовское поле еще и придает массу электронам!

В этой модели присутствовали все ингредиенты, необходимые для объединения слабого и электромагнитного взаимодействий. Более того, если начать с калибровочной теории Янга – Миллса с безмассовыми калибровочными бозонами до нарушения симметрии, то можно было надеяться, что те же замечательные свойства калибровочных теорий, связанные с симметрией и впервые исследованные в квантовой электродинамике, позволят получить при помощи этой теории конечные разумные результаты. В то время как фундаментальная теория с массивными фотоноподобными частицами обладала явными неустранимыми недостатками, была надежда на то, что, если массы возникают только после и в результате нарушения симметрии, эти недостатки, возможно, и не проявятся. Но в то время это была всего лишь надежда.