Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природы - Стивен Вайнберг

Кто-то может спросить, почему признание электрослабой теории было столь быстрым и всеобъемлющим. Конечно, сыграло роль то, что слабые нейтральные токи были предсказаны и затем обнаружены. Разве не это есть тот способ, с помощью которого и устанавливается справедливость какой-то теории? Думаю, что все не так просто.

Прежде всего, нейтральные токи не были чем-то совершенно новым для теории слабых сил. Как-то мне удалось проследить развитие идеи нейтральных токов назад во времени до статьи Георгия Гамова и Эдварда Теллера, которые с помощью вполне разумных доводов предсказали в 1937 г. существование слабых нейтральных токов. Более того, еще в 1960-е гг. имелись экспериментальные свидетельства нейтральных токов, но в них никто не верил: сами экспериментаторы, обнаружившие эти свидетельства, всегда относились к ним, как к «фону». То новое, что появилось в 1973 г. и было очень важно для экспериментаторов, это предсказание, что значения интенсивности нейтральных токов находятся в определенном интервале. Например, в одном типе нейтринных реакций вклад нейтральных токов мог составлять от 15 до 25 % от вклада обычных слабых сил. Такое предсказание позволяло определить чувствительность, необходимую при экспериментальном поиске таких сил. И все же перелом, произошедший в 1973 г., был связан с тем, что теория приобрела несомненные черты внутренней согласованности и жесткости. Это заставило физиков признать, что прогресс в их собственной научной работе связан с признанием правильности теории, а не в ожидании того, что из всего этого получится.

В определенном смысле электрослабая теория получила экспериментальную поддержку до открытия нейтральных токов, так как она правильно воспроизвела все свойства слабых сил, ранее объясненные теорией Ферми, равно как и все свойства электромагнитных сил, которые успешно описывала квантовая электродинамика. Здесь вновь, как и в случае с общей теорией относительности, можно спросить, почему воспроизведение результатов, уже полученных более ранними теориями, рассматривается как успех? Теория Ферми объяснила свойства слабых сил с помощью некоторого числа произвольных гипотез, произвольных в том же смысле, что и закон обратных квадратов для ньютоновской теории тяготения. Электрослабая теория объяснила эти гипотезы (например, зависимость слабых сил от спинов участвующих во взаимодействии частиц) значительно более неотразимым образом. Но в такого рода оценках невозможно быть точным: это дело вкуса и опыта.

Неожиданно в 1976 г., через три года после открытия нейтральных токов, возник кризис. Уже не было никаких сомнений относительно существования нейтральных токов, но эксперименты, проделанные в 1976 г., указывали, что некоторые их свойства не соответствуют предсказаниям теории. Отклонения проявились в экспериментах, выполненных независимо в Сиэттле и Оксфорде и связанных с изучением распространения поляризованного света сквозь пары висмута. Еще со времени работы Жана-Батиста Био в 1815 г. было известно, что поляризованный свет, проходя через растворы некоторых сахаров, испытывает вращение плоскости поляризации либо в правую, либо в левую сторону. Например, при прохождении через раствор обычного сахара глюкозы-R, плоскость поляризации света поворачивается направо, а при прохождении через раствор глюкозы-L – налево. Происходит это потому, что молекула глюкозы-R не совпадает со своим зеркальным отражением, молекулой глюкозы-L, точно так же, как перчатка на левую руку отличается от перчатки на правую руку (в то же время шляпа или галстук и их зеркальные отражения выглядят одинаково). Казалось бы, при прохождении поляризованного света через газ, состоящий из отдельных атомов веществ типа висмута, не должно происходить такого вращения плоскости поляризации. Однако электрослабая теория предсказывает асимметрию между правым и левым в слабых взаимодействиях электронов с атомными ядрами, обусловленных обменом Z-частицей, что придает таким атомам свойства, похожие на свойства перчатки или молекулы сахара при отражении в зеркале. (Ожидалось, что эффект будет особенно велик для атомов висмута из-за специфики строения их энергетических уровней.) Расчеты показывали, что лево-правая асимметрия в атоме висмута должна приводить к медленному вращению плоскости поляризации проходящего через пары висмута света в левую сторону. К своему удивлению, экспериментаторы в Оксфорде и Сиэттле не смогли обнаружить такое вращение и сообщили, что если оно и существует, то скорость вращения должна быть намного меньше, чем предсказывает теория.

Это поистине напоминало взрыв бомбы. Казалось, что эксперименты свидетельствовали, что та конкретная версия теории, которую независимо разработали в 1967–1968 гг. Салам и я, оказалась неверной в деталях. Но я не был готов отказаться от общих идей электрослабой теории. Еще начиная с появления работы ’т Хофта в 1971 г., я был совершенно убежден в правильности основных положений теории, а ту версию, которую построили Салам и я, рассматривал как одну из конкретных простых реализаций. Например, могли быть и другие члены в семействе частиц, образованном фотоном и частицами W и Z, или другие частицы, связанные с электроном и нейтрино. Еще задолго до этой истории Пьер Дюгем и У. ван Куин отмечали, что никакая научная теория не может быть полностью отвергнута сравнением с экспериментальными данными, так как всегда есть возможность таких манипуляций с теорией или введения таких дополнительных предположений, которые приведут к согласию теории и эксперимента. Просто в какой-то момент исследователь должен решить, не являются ли те дополнения, которые необходимо ввести, чтобы избежать конфликта с опытом, слишком уродливыми, чтобы в них можно было поверить.

Действительно, после экспериментов в Сиэттле и Оксфорде многие теоретики стали пытаться придумать небольшие модификации электрослабой теории, которые объясняли бы, почему силы, порождаемые нейтральными токами, не приводят к ожидаемой величине асимметрии между правым и левым. Поначалу мы думали, что можно чуть-чуть изуродовать теорию, но при этом добиться согласия со всеми имеющимися данными. Вспоминаю, что как раз в это время Бен Ли прилетел в Пало Альто, где я тогда работал, и я отменил давно запланированную поездку в Иосемиту, чтобы поработать с ним и попытаться модифицировать электрослабую теорию таким образом, чтобы удовлетворить всем экспериментальным данным (в том числе и снять некоторые разногласия между теорией в данными по реакциям с нейтрино высоких энергий). Но ничто, похоже, не помогало.

Одна из проблем заключалась в том, что к этому времени уже имелось большое количество данных, полученных в ЦЕРНе и Фермилабе, относительно рассеяния нейтрино при соударении с протонами и нейтронами, причем практически все они подтверждали первоначальную версию электрослабой теории. Было очень трудно понять, каким образом какая-то другая теория могла бы так же естественно согласовываться с этими данными, заодно согласуясь и с данными по висмуту, т.е. как можно было избежать сильных усложнений, специально подогнанных так, чтобы согласовать теорию с данными всех экспериментов. Чуть позже в Гарварде Говард Джорджи и я высказали общие аргументы в пользу того, что не существует естественного способа так изменить электрослабую теорию, чтобы она согласовывалась и с данными Оксфорда и Сиэттла, и с более ранними данными по нейтринным реакциям. Конечно, это не остановило некоторых теоретиков от попыток построить весьма неестественные теории (такую деятельность в бостонских научных кругах называли половым извращением), что соответствовало древнейшему закону прогресса в науке, согласно которому лучше делать что-нибудь, чем ничего не делать.

Затем в 1978 г. в Стэнфорде был проделан новый эксперимент, в котором слабая сила между электроном и атомным ядром измерялась совершенно иначе, используя не электроны в атомах висмута, а рассеивание пучка электронов больших энергий, полученных на Стэнфордском ускорителе на ядрах дейтерия. (Выбор дейтерия в качестве мишени был вызван не какими-то особыми причинами, а просто тем, что это удобный источник и протонов, и нейтронов.) Теперь уже экспериментаторы обнаружили ожидаемую асимметрию между правым и левым. В этом опыте асимметрия проявлялась в разнице скорости рассеяния электронов, вращающихся направо и налево. (Мы говорим, что движущаяся частица вращается направо или налево, если сжатые в кулак пальцы на, соответственно, правой или на левой руке показывают направление вращения, в то время как большой палец направлен в сторону движения частицы.) Измеренная относительная разница в скоростях рассеяния составляла одну десятитысячную, что как раз совпадало с предсказанием теории.

Внезапно физики, занимающиеся частицами, во всем мире пришли к выводу, что первоначальная версия электрослабой теории, несмотря ни на что, верна. Но заметьте, что все еще были два экспериментальных результата, которые противоречили предсказаниям теории относительно величины слабого взаимодействия нейтральных токов между электроном и ядром, и лишь один эксперимент, подтверждавший эти предсказания, правда в несколько ином контексте. Почему же тогда, как только появился эксперимент, подтверждавший электрослабую теорию, все физики согласились с тем, что теория должна быть верна? Безусловно, одна из причин заключалась в том, что мы все были убеждены, что не хотим иметь дело с любой неестественной версией первоначальной электрослабой теории. Эстетический критерий естественности был использован для того, чтобы помочь физикам оценить значимость противоречащих друг другу экспериментальных данных.