Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй

В шотландских летних школах есть собственная поэзия. Год за годом они перемещаются по стране и периодически возвращаются в красивый прибрежный город Сент-Эндрюс рядом со знаменитым Олд-Корсом – местом, где родился гольф. В 1980 г. в Сент-Эндрюсе Глэшоу, недавно удостоенный Нобелевской премии, и Герард ’т Хоофт, знаменитый бывший студент Вельтмана, читали в этой школе лекции, и в бытность аспирантом мне повезло посетить их.

Я тогда приехал поздно, получил самую маленькую комнатку, практически на чердаке, с видом на Олд-Корс и наслаждался не только физикой, но и алкоголем; кроме того, на площадке для мини-гольфа под названием «Гималаи» по соседству я с пользой для дела угощал дармовой выпивкой одного из лекторов – физика Грэма Росса из Оксфорда. ’т Хоофт был не только физиком почти невероятных способностей, но и прекрасным художником. В 1980 г. он выиграл конкурс Летней школы по дизайну футболок, и у меня до сих пор хранится подписанная им футболка. Не могу с ней расстаться, хотя аукцион на eBay и манит. (Через двадцать лет после той программы, в 2000 г., я вернулся в Летнюю школу уже преподавателем. В отличие от Глэшоу, ’т Хоофта, Вельтмана и Хиггса вернулся без Нобелевской премии; все же я получил наконец право носить килт. Еще одна галочка в списке того, что надо успеть в жизни.)

После работы в Летней школе в 1960 г. Хиггс начал изучать литературу по симметрии и ее нарушениям и разбирать статьи Намбу, Голдстоуна, Салама, Вайнберга и Андерсона. Задача примирения теоремы Голдстоуна с возможностью существования массивных векторных частиц Янга – Миллса, которые могли бы переносить сильное взаимодействие, показалась ему безнадежно сложной. Затем, в 1964 г., том самом волшебном году, когда Гелл-Манн ввел понятие кварков, Хиггс прочел две статьи, которые дали ему надежду.

Первой из них была статья Абрахама Клейна и Бена Ли; последний до своей гибели в автокатастрофе по дороге на физический семинар был одной из самых ярких восходящих звезд в мировой физике элементарных частиц. Авторы предложили способ обойти теорему Голдстоуна и избавиться от безмассовых частиц в квантовых теориях поля, которых в реальности не наблюдалось.

Затем молодой физик из Гарварда Уолтер Гилберт, вскоре после этого решивший сменить царивший в физике элементарных частиц хаос на зеленые пастбища молекулярной биологии, – где в конечном итоге он тоже заработал Нобелевскую премию, но уже за участие в разработке технологии секвенирования ДНК, – написал статью, в которой показал, что предложенное Клейном и Ли решение порождает конфликт с теорией относительности и потому вызывает большие сомнения.

Как мы уже видели, калибровочные теории имеют интересное свойство: вы можете произвольно менять определение положительного и отрицательного заряда в каждой точке пространства, не меняя при этом никаких наблюдаемых физических свойств системы, если только позволяете электромагнитному полю поддерживать необходимые взаимодействия и меняться так, чтобы надлежащим образом компенсировать эти локальные вариации. В результате вы можете проводить математические вычисления в любой калибровке, то есть с использованием любых конкретных локальных определений зарядов и полей, совместимых с симметрией. Любое симметричное преобразование будет переводить вас из одной калибровки в другую.

Несмотря на то что теория, возможно, будет выглядеть в этих разных калибровках очень по-разному, симметричность теории гарантирует, что расчеты любой физически измеримой величины не зависят от выбора калибровки, то есть видимые различия иллюзорны и не отражают лежащей в основе физики, которая определяет измеряемые величины всех физически наблюдаемых параметров. Поэтому можно выбирать, в какой калибровке вычисления окажутся проще, с уверенностью, что при расчетах в любой другой калибровке предсказания для физически наблюдаемых величин получатся те же.

Познакомившись со статьями Швингера, Хиггс понял, что при некоторых выбранных калибровках может возникнуть тот же самый конфликт, на который указывал Гилберт в отношении гипотезы Клейна и Ли. Но этот видимый конфликт возникал лишь вследствие выбора калибровки, в других же калибровках он исчезал. А значит, он не отражал никакого реального конфликта с теорией относительности там, где речь шла о проверяемых физических предсказаниях. Может быть, в какой-нибудь калибровочной теории сделанное Клейном и Ли предложение по избавлению от частиц с нулевой массой, связанных со спонтанным нарушением симметрии, все же сработает.

Хиггс заключил, что спонтанное нарушение симметрии в условиях квантовой теории поля, предусматривающей калибровочную симметрию, возможно в обход теоремы Голдстоуна с приданием массы векторным бозонам, переносящим сильное взаимодействие без всяких лишних безмассовых частиц. Это соответствовало соображениям Андерсона по электромагнетизму в сверхпроводниках в нерелятивистском случае. Иными словами, вполне возможно, что сильное взаимодействие имеет короткий радиус действия из-за спонтанного нарушения симметрии.