Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй

На первый взгляд статья Янга и Миллса кажется абстрактным, чисто умозрительным математическим изучением следствий из предположения о возможной форме нового взаимодействия, построенного по аналогии с калибровочной симметрией в электромагнетизме. Тем не менее это было не просто упражнением в чистой математике. В статье делалась попытка разобраться в возможных наблюдаемых следствиях такой гипотезы, чтобы понять, имеет ли она какое-либо отношение к реальному миру. К сожалению, математика оказалась настолько сложной, что возможные наблюдаемые проявления были неочевидны.

И все же одно было ясно. Поскольку новые «калибровочные поля» должны учитывать и, следовательно, компенсировать эффекты независимых преобразований изотопического спина, производимых в пространственно разнесенных местах, поля эти должны быть безмассовыми. Это, в сущности, эквивалентно утверждению о том, что только благодаря отсутствию у фотонов массы взаимодействие между частицами, которое они обеспечивают, может осуществляться на сколь угодно большом расстоянии. Возвращаясь к аналогии с шахматной доской, можно сказать, что требуется единый свод правил, говорящих, как двигаться по всей доске, с учетом того, что я заранее случайным образом поменял цвета ее клеток. Массивные калибровочные поля, которыми невозможно обмениваться на сколь угодно больших расстояниях, эквивалентны наличию инструкции, которая сообщает вам, как компенсировать замену цветов только на клетках, находящихся неподалеку от начальной. Это не позволило бы вам двигать фигуры по доске на большие расстояния.

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.