Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Ли и Янг предположили, что левые кварки, электроны и нейтрино (а также мюоны и τ-лептоны) участвуют в слабом взаимодействии, так же как и правые антикварки, антиэлектроны (позитроны) и антинейтрино (а также антимюоны и анти-τ-лептоны), а вот частицы с противоположной спиральностью этого не делают. Эксперименты подтвердили их предположение.

Еще один цветной анаморф: от «??» к «!»

Преобразовательный аспект слабого взаимодействия и еще несколько более специальных аспектов подали Шелдону Глэшоу, а также Абдусу Саламу и Джону Уорду идею о том, что, возможно, это взаимодействие тоже можно было бы описать в виде воплощения локальной симметрии.

Мы можем понять, как это могло бы сработать, используя идеи и образы, которые мы уже развили. Мы хотим, чтобы наш основной слабый процесс (давайте для определенности возьмем процесс вида u + e → d + ν) происходил за счет движений в пространстве свойств. У пространства свойств должно быть (по крайней мере) два измерения, чтобы u- и d-кварки могли быть одной и той же сущностью в различных положениях, и аналогично e и ν. Затем мы сможем посмотреть на весь наш процесс, который при буквальном прочтении представляет изменение идентичности частиц – того, чем они являются, – как на изменение их положения – того, где они находятся. Это принцип «где определяет что» в действии!

Теория, основанная на локальной симметрии, идет дальше, обеспечивая нас флюидом, управляющим перемещениями в пространстве свойств. Самое элементарное действие этого флюида – это то, что происходит, когда его самые маленькие единицы, или кванты, создаются и уничтожаются. Следовательно, наш процесс на самом базовом квантовом уровне может происходить таким образом:

u-кварк испускает викон W+ и превращается в d-кварк; электрон e поглощает викон W+ и превращается в нейтрино ν.

Или по-другому:

электрон e испускает викон W− и превращается в нейтрино ν; u-кварк поглощает викон W− и превращается в d-кварк.

Викон W+ обычно называют W+-бозоном, причем верхний индекс обозначает его электрический заряд. Викон W−, или W+ – бозон – это его античастица. Когда вы обстоятельно разберетесь с локальной симметрией, вы обнаружите, что существует третий, электрически нейтральный викон Z, или Z-бозон.

Предлагая эту локальную теорию, Глэшоу, Салам и Уорд следовали нашему иезуитскому девизу «Более достойно благословения просить прощения, чем разрешения», поскольку они намеренно проигнорировали другой аспект теории Янга – Миллса. Локальная симметрия теории Янга – Миллса требует, чтобы W+, W− и Z имели нулевую массу. Аналогичные предсказания нулевой массы для гравитонов, фотонов и цветных глюонов – все соответствуют действительности и представляют большой успех для локальной симметрии. Но в теории слабого взаимодействия это предсказание не работает. Если бы у виконов была нулевая масса, их можно было бы легко наблюдать в столкновениях на ускорителях или даже в химических реакциях, так же как фотоны. В сущности, слабое взаимодействие не было бы слабым!

Короче говоря, в случае слабого взаимодействия локальная симметрия кажется слишком хорошей, чтобы быть правдой.

Чтобы согласовать Идеальное с Реальным, мы должны ввести еще одну идею – и она красива! Новая идея – это спонтанное нарушение симметрии, которое в данном контексте предложили Роберт Браут и Франсуа Энглер и независимо Питер Хиггс (а также Джеральд Гуральник, Карл Хаген и Том Киббл). Именно оно позволяет нам одновременно и съесть пирожок, и сохранить его. Если говорить точнее, мы можем сохранить уравнения локальной симметрии с их прекрасным принципом «где определяет что» для слабого взаимодействия, позволяя бозонам иметь ненулевую массу, согласующуюся с наблюдениями. Мы продолжим рассмотрение их смелой и сильной идеи более подробно после обязательной исторической зарисовки, надлежащим образом завершающей наш рассказ о слабом взаимодействии как таковом.

Именно Стивен Вайнберг синтезировал эти два подхода – симметрию и нарушение симметрии, чтобы произвести полностью удовлетворительную теорию слабого взаимодействия, которая представлена в современной Главной теории. Но сначала было совершенно неочевидно, что эта теория даст правильные или хотя бы конечные ответы, если принять во внимание квантовые флуктуации. Герард 'т Хоофт и Мартинус Велтман продемонстрировали, что она дает их, и при этом ввели в оборот методы вычислений, которые сделали теорию точнее и полезнее. Фриман Дайсон ранее сослужил подобную службу КЭД, для которой сделать это было намного легче (но все равно трудно).

Флюид Хиггса, поле Хиггса, частица Хиггса

На одной покрытой водой планете в далекой-далекой галактике рыбы эволюционировали и стали разумными – настолько разумными, что некоторые из них стали физиками и начали изучать, как движутся тела. Сначала рыбы-физики получили очень сложные законы движения, потому что (как мы знаем) движение тел в воде устроено сложно. Но однажды рыба-гений – Рыба Ньютон – сделала предположение о том, что основные законы движения гораздо проще и красивее: в сущности, это законы движения Ньютона. Она предположила, что наблюдаемое движение выглядит сложным из-за влияния вещества – назовем его «водой», – заполняющего мир. С большим трудом рыбам удалось подтвердить теорию Рыбы Ньютона, выделив молекулы воды.

Согласно механизму Хиггса, мы похожи на таких рыб. Мы погружены в космический океан, который усложняет наблюдаемые законы физики.

Уравнения для частиц с нулевой массой, включая уравнения Максвелла, уравнения Янга – Миллса и уравнения Эйнштейна в общей теории относительности, особенно красивы. Как мы уже обсуждали, они могут обеспечивать огромное количество симметрии – локальной симметрии. Фотоны обладают нулевой массой, так же как цветные глюоны в квантовой хромодинамике и гравитоны в теории гравитации. Чтобы иметь красивые уравнения и чтобы наше описание Природы было единообразным, нам хотелось бы создать мир из «кирпичиков» с нулевой массой.

К сожалению, несколько видов элементарных частиц отказываются потакать нашим желаниям. Так, W- и Z-бозоны, которые переносят слабые взаимодействия, имеют значительные массы. (Именно поэтому слабые взаимодействия обладают малым радиусом действия и слабы при низких энергиях.) То, что они обладают массой, досадно, потому что в других отношениях, как мы только что видели, W- и Z-бозоны кажутся удивительно похожими на фотоны.

Можно ли преодолеть это затруднение? Примем во внимание, что на поведение фотонов могут влиять свойства вещества, через которое они проходят. Известный пример: свет замедляется при прохождении сквозь стекло или воду. Это явление, при котором свет становится более «вялым», чем обычно, можно грубо уподобить приобретению светом инерции. Менее знакомый, но более глубокий для наших текущих целей пример – поведение фотонов внутри сверхпроводников. Уравнения, описывающие фотоны в сверхпроводниках, математически идентичны уравнениям для частицы с массой. Внутри сверхпроводника фотоны эффективно становятся частицами с ненулевой массой.

Сущность механизма Хиггса в идее о том, что «пустое пространство» – т. е. пространство, лишенное частиц и излучения, – на самом деле заполнено материальной средой, которая делает W- и Z-бозоны массивными. Эта идея позволяет нам сохранить красивые уравнения для безмассовых частиц, при этом относясь с надлежащим уважением к мнению действительности. Итак, нам нужна среда, которая делает для W- и Z-бозонов то же самое, что сверхпроводники делают для фотонов. Более того, гипотетическая космическая среда должна создавать массы гораздо большего масштаба: массы W и Z в (не) пустом пространстве примерно в 1016 раз больше, чем массы фотонов в сверхпроводниках.

Физики обращались к механизму Хиггса многие годы и, используя его, шли от успеха к успеху. Многие аспекты взаимодействий W- и Z-бозонов, помимо их масс, были точно предсказаны с использованием красивых уравнений для безмассовых частиц и калибровочных симметрий с их следствиями, модифицированными заполняющим пространство веществом. Так мы собрали убедительную сумму доводов в пользу существования нашего собственного «космического океана». Но в конечном счете эта версия основывалась на косвенных доказательствах. Не было никакого четкого ответа на очевидный вопрос: из чего он сделан?