Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
Позвольте мне подчеркнуть, что я не верю в то, что стандартной теории как правильной и полной картине физики суждено жить долго. Все взаимодействия могут быть калибровочными, но они, несомненно, должны находиться в пределах единой группы. Это означало бы существование нового и очень слабого взаимодействия, которое переносит распад протонов. Таким образом, вся материя внутренне нестабильна, вследствие чего можно наблюдать ее распад. Подобный синтез слабых, сильных и электромагнитных взаимодействий был назван «великой объединенной теорией», но эта теория не будет ни великой, ни объединенной, пока в ней не будет описания гравитационных явлений. Мы по-прежнему далеки от воистину великого замысла Эйнштейна.
Физика прошедшего столетия характеризовалась частыми великими, но неожиданными экспериментальными открытиями. Если стандартная теория верна, то эта эпоха подошла к концу. Осталось открыть лишь несколько важных частиц, а многие их свойства считаются известными заранее. Я уверен, что все это не так, ибо природа всегда таит про запас сюрпризы, чтобы преподнести их нам в самый неожиданный момент.
Тем не менее, стандартная теория будет нам полезна и в будущем. На смену прошлой путанице пришел простой и элегантный синтез. Быть может, стандартная теория выживет как часть окончательной теории, а может быть, она окажется ошибочной в самой своей основе. Как бы то ни было, она все равно останется важной станцией, а следующая теория должна быть еще лучше.
В этом эссе я не стану пытаться описать ни весь гобелен, ни даже ту его часть, которая касается синтеза электрослабых взаимодействий и его эмпирического триумфа. Вместо этого я опишу несколько старых нитей, большая часть которых уже оказалась в нижнем слое и которые тесно связаны с моими собственными исследованиями. Своей целью я ставлю не столько объяснение того, кто что и когда сделал, сколько попытку ответить на вопрос, почему все произошло именно так. Я также постараюсь проследить несколько новых нитей, которые могут предложить будущее развитие гобелена.
Ранние модели
В двадцатые годы двадцатого века ученые все еще считали, что существует всего два основных взаимодействия: гравитационное и элек- В направлении единой теории: нити в гобелене
229
тромагнитное. Пытаясь объединить их, Эйнштейн, должно быть, надеялся сформулировать универсальную теорию физики. Однако изучение атомного ядра вскоре раскрыло необходимость двух дополнительных взаимодействий: сильного — для сохранения ядра как единого целого, и слабого — для обеспечения распада ядра. Юкава задался вопросом: а нет ли глубокой аналогии между этими новыми взаимодействиями и электромагнетизмом. Все силы, утверждал он, должны проистекать из обмена мезонами. Первоначально предполагалось, что его гипотетические мезоны должны переносить и сильное, и слабое взаимодействия; считалось, что они сильно связаны с нуклонами и слабо — с лептонами. Первая попытка объединить сильное и слабое взаимодействия опередила свое время на целых 40 лет. Мало того, Юкава мог бы предсказать и существование нейтральных токов. Его нейтральный мезон, необходимый для обеспечения независимости заряда от ядерных взаимодействий, был также слабо связан с парой лептонов.
Однако электромагнетизм не просто переносится фотонами, он также возникает из требования локальной калибровочной инвариантности. Эта концепция получила обобщение в 1954 году в применении к неабе-левым локальным группам симметрий [1]. Очень скоро стало ясно, что между электромагнетизмом и другими взаимодействиями должна существовать более перспективная аналогия. Эти взаимодействия тоже должны возникать из калибровочного принципа.
Здесь появляется небольшая проблема. Все калибровочные мезоны должны быть безмассовы, но при этом из всех мезонов не имеет массы один фотон. Каким образом остальные калибровочные бозоны приобретают массу? Удовлетворительного ответа на этот вопрос не было, пока не появилась работа Вайнберга и Салама [2], доказанная т'Хоофтом [3] (для спонтанно нарушенных калибровочных теорий), а также работа Гросса, Вильчека и Политцера [4] (для ненарушенных калибровочных теорий). Пока этих работ не было, массы калибровочных мезонов приходилось просто вводить ad hoc1.
В 1960 году Сакураи предположил, что сильные взаимодействия должны возникать из калибровочного принципа [5]. Применяя построение Янга-Миллса к изоспиновой-гиперзарядовой группе симметрии, он предсказал существование векторных мезонов р и ил. Это была первая феноменологическая SU{2) х [/(І)-калибровочная теория. В 1961 году Гелл-Манн и Нееман распространили ее на местную SU(S) группу [6]. Тем не менее, эти первые попытки сформулировать калибровочную теорию сильных взаимодействий были обречены на провал. Говоря на современном научном жаргоне, тогдашние ученые использовали в качестве
'Для каждого отдельного случая (лат.) — Прим. пер. 230
В направлении единой теории: нити в гобелене
релевантной динамической переменной «аромат», а не скрытую и тогда неизвестную переменную «цвет». И все же их работа подготовила путь для появления квантовой хромодинамики, которое произошло через десять лет.
