+– и W−-бозонами. (По крайней мере, одно из первых. По словам Леона Ледермана, «в более поздних версиях теории Ферми, в первую очередь у Швингера, были введены тяжелые W+– и W−-бозоны в качестве носителей слабого взаимодействия. Похожую идею использовали и некоторые другие теоретики. Попробую перечислить: Ли, Янг, Гелл-Манн… Я не люблю хвалить конкретных теоретиков, поскольку 99 % остальных расстроятся».)
Бозоны Янга-Миллса были безмассовыми в первую очередь из-за симметрии, на которой строилась теория. Когда Швингер наделил бозоны массой, это означало, что симметрия нарушилась, но в данном случае это было явное (или жесткое) нарушение, а не «спонтанное», при котором симметрия скрыта неким полем, имевшим отличное от нуля значение в пустом пространстве (и к тому времени еще не открытое). В теории Швингера симметрия нарушалась не из-за поля, а потому что он ей так велел. Как вы можете догадаться, это искусственное предположение уменьшало доверие к модели. Прежде всего, перенормируемость электромагнетизма в решающей степени зависит от симметрии, лежащей в основе теории, и пренебрежение этой симметрией делает модель Швингера неперенормируемой. В конце концов, но много лет спустя, стало ясно, что теория массивных калибровочных бозонов станет перенормируемой тогда и если их массы приобретаются в результате спонтанного нарушения симметрии.
Пример изменения представлений о распаде нейтрона. В теории Ферми нейтрон распадается непосредственно на протон, электрон и антинейтрино. Швингер предположил, что нейтрон испускает заряженный W-бозон, который затем распадается на электрон и антинейтрино. Он был прав, но сейчас мы знаем, что нейтрон состоит из трех кварков, один из которых меняет вид с нижнего на верхний, испуская при этом W-бозон.
Тем не менее Швингер продолжал искать способы обойти эти трудности, и не только из упрямства. Одно из свойств гения в том, что он чувствует, какие идеи стоит развивать, даже если они не во всех отношениях соответствуют действительности. Важным следствием модели Швингера было то, что она предсказала три калибровочных бозона: два заряженных массивных W-бозона, и один нейтральный калибровочный бозон, которому было разрешено остаться без массы. Все мы, конечно, отлично знакомы с нейтральным безмассовым калибровочным бозоном: это фотон. Швингер был воодушевлен тем, что его подход дал надежду объединить электромагнетизм со слабыми взаимодействиями, что явилось бы важным шагом вперед в физике. Это, наверное, и давало ему силы и дальше совершенствовать свою модель, несмотря на кучу проблем.
Однако довольно скоро он бросил заниматься своей моделью. Статья Швингера была опубликована в 1957 году, и в том же году обнаружилось, что слабые взаимодействия нарушают четность. Вспомним, как в главе 8 мы говорили (и еще скажем в Приложении 1), что частицы являются либо левшами, либо правшами в зависимости от того, в каком направлении они вращаются. Нарушение четности подразумевает, что слабые силы воздействуют только на частицы-левши. Можно придумать симметрии Янга-Миллса, в которых задействованы лишь вращающиеся против часовой стрелки частицы, но мы знаем, что электромагнитные взаимодействия не нарушают четности – они обращаются и с левшами и с правшами одинаково. Это открытие, казалось, поставило крест на надежде Швингера объединить слабые и электромагнитные взаимодействия.
Электрослабое объединение
Иногда профессору, чтобы окончательно забросить ту или иную задачу, нужно дать порешать аспиранту. К счастью, у Швингера появился очень талантливый молодой аспирант – Шелдон Глэшоу, которому Швингер дал задание подумать о объединении электромагнетизма и слабых взаимодействий. Глэшоу был обаятельным и довольно экспансивным человеком. Занимаясь наукой, он любил перескакивать с одной темы на другую. Эта его особенность сослужила ему хорошую службу в его работе по объединению. После того как в течение нескольких лет (периодически переключаясь на другие темы) Глэшоу продумывал этот вопрос, он, наконец, нащупал подходящую модель того, что в конечном счете будет названо «электрослабым объединением».
Камнем преткновения была четность: в электромагнетизме она сохраняется, а слабые взаимодействия ее нарушают. Как можно было их объединить? Идея Глэшоу состояла в том, чтобы ввести две различных симметрии: одну, в которой вращающиеся против и по часовой стрелке частицы равноправны, и другую, в которой к ним относятся по-разному. Секрет модели Глэшоу был в том, что обе симметрии в ней нарушаются, но таким образом, что определенная их комбинация остается ненарушенной.
Представьте себе пару зубчатых колес. Любое из них может вращаться независимо, так же как две исходные симметрии Глэшоу. Но когда вы приведете их в сцепление друг с другом, они все еще смогут двигаться, но только уже согласованно, а не независимо. Теперь у них меньше свободы, чем раньше. В модели Глэшоу ненарушенная симметрия аналогична способности колес двигаться вместе, в то время как нарушенная симметрия – невозможность их двигаться на разных скоростях. Безмассовый нейтральный калибровочный бозон, соответствующий ненарушенной симметрии Глэшоу, – конечно, фотон.
Эта идея, казалось, была в состоянии удовлетворить требованиям, накладываемым и слабыми, и электромагнитными взаимодействиями. (Но проблема оставалась: по-прежнему массы калибровочных бозонов просто вводились руками, и теория была неперенормируемой.) Но в этой теории появлялось и что-то до сих пор неизвестное – новый калибровочный бозон, нейтральный, но массивный – тот, который мы сейчас называем Z-бозоном. В то время не было никаких свидетельств существования такой частицы, поэтому ученые почти не обратили внимание на эту модель.
Хотя может показаться, что предположения в модели Глэшоу, объединяющей электромагнетизм и слабые взаимодействия, были довольно искусственные, в них явно присутствовало рациональное зерно. На другом берегу океана – в Имперском колледже в Великобритании – почти такую же теорию разработали Абдус Салам и Джон Уорд. Каждый из них был очень опытным физиком. Уорд, родившийся в Англии, провел по несколько лет в Австралии и СТТТА и считался одним из основателей квантовой электродинамики. Он, вероятно, больше всего известен физикам своим «тождеством Уорда» из квантовой теории поля – математическим соотношением, которое обеспечивает выполнение локальных симметрий. Салам, родившийся в Пакистане, когда он еще был частью Индии и находился под британским контролем, впоследствии превратился в политического активиста и стал продвигать науку в развивающихся странах. Уорд и Салам часто работали вместе, и некоторые их самые интересные статьи по вопросам объединения взаимодействий были написаны в соавторстве.
Следуя почти такой же логике, что и Глэшоу, Салам и Уорд придумали модель с двумя различными симметриями, одна из которых нарушала четность, а другая, которая не нарушала, предсказывала безмассовый фотон и три массивных калибровочных бозона слабых взаимодействий. Они опубликовали эту работу в 1964 году, по-видимому, не зная о более ранней статье Глэшоу. Как и у Глэшоу, в их модели симметрия нарушалась искусственно, а не спонтанно. Как и Глэшоу, они не использовали результаты Гуральника, Хагена, и Киббла по спонтанному нарушению симметрии, но у них, в отличие от Глэшоу, не было никаких оправданий, поскольку их кабинеты находились буквально через коридор друг от друга.
Частично такое странное отсутствие контактов между ними могло быть связано с естественной сдержанностью Уорда. В своей книге «Загадка бесконечности» Фрэнк Клоуз приводит поразительную историю, рассказанную ему Джеральдом Гуральником: «Как-то Гуральник и Уорд обедали вместе в местном пабе, и Гуральник начал рассказывать о своей еще не завершенной работе по скрытой симметрии. «Я не успел почти ничего сказать, а [Уорд] уже остановил меня. Он прочел мне лекцию о том, что я не должен открыто говорить о своих неопубликованных идеях, потому что их могут украсть, а то и опубликовать прежде, чем я закончу работу над ними». В результате этого предостережения Гуральник не расспросил Уорда о работе, которую тот делал с Саламом».
Можно согласиться с таким осторожным подходом к обсуждению неопубликованных работ, но даже самые скрытные физики обычно не боятся обсуждать уже опубликованные результаты. По какой-то причине, однако, Салам и Уорд узнали о результатах Гуральника, Хагена и Киббла лишь через несколько лет – случилось это, когда Саламу об их работе рассказал Том Киббл. После этого Салам в течение многих лет ссылался на нее как на «механизм Хиггса-Киббла».
Собираем пазл
Окончательно все вместе кусочки мозаики сложились в 1967 году. Стивен Вайнберг был одноклассником Шелдона Глэшоу – они учились вместе в Бронксе, в школе Бронкс-Сайенс, но они никогда не работали вместе в той области теоретической физики, которая впоследствие привела их обоих к Нобелевской премии (совместно с Саламом) в 1977 году. Сегодня Вайнберг имеет статус уважаемого старейшины в физике, он этакий политик от науки, а также автор ряда нашумевших книг и множества эссе, публиковавшихся в The New York Review of Books и других изданиях. (В свое время Вайнберг был главным лоббистом Сверхпроводящего суперколлайдера и добивался бы его строительства, даже если бы ускоритель решили строить не в Техасе, куда Вайнберг переехал в 1982 году.)
А в 1967 году Вайнберг был еще совсем молодым профессором Массачусетского технологического института, каждый день приезжавшим в кампус на своем красном «камаро». В то время Вайнберг глубоко погрузился в проблему спонтанного нарушения симметрии, но пытался применить его в основном для того, чтобы разобраться в сильных взаимодействиях. Вдохновленный недавней работой Тома Киббла, Вайнберг играл с набором симметрий, и в результате незаметно для него самого его модель стала сильно напоминать более ранние модели Глэшоу и Салама с Уордом. Проблема была в том, что в его модели тоже возникал безмассовый нейтральный калибровочный бозон, которого, по-видимому, не было в сильных взаимодействиях.