В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

То же самое происходит с электрическими силами. В результате электромагнетизм Максвелла оказывается калибровочной постоянной, а квантовая электродинамика – калибровочной теорией, как и квантовая хромодинамика, разработанная на основе КЭД. Сложности возникают при обращении с материальными полями на квантовом уровне, но все их можно полно объяснить с помощью теории, которая демонстрирует калибровочную симметрию. Однако одной из важнейших характеристик квантовой электродинамики является то, что она обладает только калибровочной симметрией, поскольку масса фотона равняется нулю. Как выясняется, если бы фотон обладал хоть какой-то массой, было бы невозможно перенормировать теорию и избавиться от бесконечностей. Это становится проблемой, когда физики пытаются использовать успешную калибровочную теорию электромагнитного взаимодействия в качестве модели для разработки такой же теории слабого ядерного взаимодействия – процесса, который отвечает, помимо прочего, за радиоактивный распад и испускание бета-частиц (электронов) из радиоактивных ядер. Точно так же, как электрическая сила переносится (или распространяется) фотонами, слабое взаимодействие должно распространяться собственным бозоном. Но все гораздо сложнее, поскольку, чтобы электрический заряд мог передаваться при слабых взаимодействиях, слабый бозон («фотон» слабого поля) должен обладать зарядом. Поэтому на самом деле должно существовать две таких частицы, бозоны W⁺ и W

^-, а так как слабые взаимодействия не всегда предполагают перенос заряда, теоретикам пришлось внедрить третий переносчик, нейтральный Ζ-бозон, без которого набор слабых фотонов не мог считаться полным. Теория настаивала на существовании третьей частицы, что поначалу сбивало физиков с толку, ведь у них не было экспериментального свидетельства ее существования.

Верная математическая симметрия, включающая в себя слабое взаимодействие, две W-частицы[81]

и нейтральную Ζ, впервые была разработана в 1960 году Шелдоном Глэшоу из Гарвардского университета и опубликована в 1961 году. Его теория не была окончена, но предположила возможность того, что в итоге и слабые, и электромагнитные взаимодействия могут быть объяснены одной теорией. Основная проблема заключается в том, что теория требует от W-частиц, в отличие от фотона, не только переносить заряд, но и обладать массой, что делает невозможной перенормировку теории, а также разрушает аналогию с электромагнетизмом, где фотон не обладает массой. Этим частицам необходимо обладать массой, поскольку слабое взаимодействие обладает коротким диапазоном, – если бы частицы не обладали массой, диапазон был бы бесконечным, как диапазон электромагнитного взаимодействия. Однако проблема связана не столько с самой массой, сколько со спином частиц. Все частицы, не обладающие массой, вроде фотона, в соответствии с квантовыми законами могут нести свой спин только параллельно или антипараллельно направлению своего движения. Частица, обладающая массой, наподобие W, также может нести спин перпендикулярно направлению своего движения, и это дополнительное состояние спина вызывает все проблемы. Если бы частицы W не обладали массой, существовал бы определенный тип симметрии между фотоном и W, а следовательно, и между слабыми и электромагнитными взаимодействиями, что позволило бы объединить их в одну перенормируемую теорию, объясняющую обе силы. Проблемы возникают, поскольку эта симметрия «нарушена».

Как может быть нарушена математическая симметрия? Лучший пример можно найти в магнетизме. Мы можем представить, что брусок магнитного материала вмещает огромное число крошечных внутренних магнитов, соответствующих отдельным атомам. При нагревании магнитного материала эти крошечные внутренние магниты вращаются и сталкиваются друг с другом в случайном порядке, следуя во всех направлениях, и не существует общего магнитного поля бруска – не существует магнитной асимметрии. Но при охлаждении бруска ниже определенной температуры, называемой температурой Кюри, он внезапно принимает намагниченное состояние, а все внутренние магниты организовываются в стройную систему. При высокой температуре самое низкое из доступных энергетических состояний соответствует нулевой намагниченности; при низкой температуре самое низкое энергетическое состояние – это состояние, в котором выстроены внутренние магниты (и неважно, как именно они выстраиваются). Симметрия нарушена, и изменение произошло потому, что при высокой температуре термальная энергия атомов превосходит магнитные силы, в то время как при низкой температуре магнитные силы превосходят термальное возбуждение атомов.

Рис. Э.5.

Нарушение симметрии происходит при охлаждении бруска магнитного материала.