Единая теория поля: Философский анализ современных проблем физики элементарных частиц и космологии. Опыт синергетнческого осмысления - Минасян Л.А.
ISBN 5-4S4-G0179-X
Скачать (прямая ссылка):
Надо сказать, что сама идея описания единого электромагнитного и слабого взаимодействий, симметрия которых скрыта от нас в настоящую эпоху эволюции Вселенной, должна была логически вызвать к жизни идею спонтанного нарушения симметрии, т.е., если симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействиями существует, она не должна проявляться в современном вакууме, и мы в праве предположить асимметричность вакуума в качестве платы за устойчивое состояние системы. Само возникновение нулевых вакуумных полей является следствием того, что при определенных макроусловиях фущшментальные симметрии (в нашем случае симметрии между элекгромапштными и слабыми нолями) оказываются в состоянии неустойчивости, не соответствующем минимальному значению энергии. Наиболее распространенной и наглядной иллюстрацией спонтанного нарушения симметрии является иллюстрация спонтанного нарушения вращательной симметрии, если тело находится на верхушке мексиканского сомбреро или донышка бутылки. Очевидно, что
ЄЄ_Глава 2
а) б)
Рис.1
При этом наблюдаемое состояние системы уже не отражает исходной вращательной симметрии, которая, тем не менее, по-прежнему существует. Эта же идея присутствует и в случае не вращательной, а калибровочной симметрии. Возможны ситуации, когда лагранжиан квантовой теории обладает точной симметрией, в то время как низшее физическое состояние (вакуум) не обладает симметрией лагранжиана, не является скаляром, а преобразуется по одному из представлений группы симметрии лагранжиана. В случае хиттсового поля мы имеем дело с подобным явлением, как если бы изменение потенциальной энергии вакуума имело форму «мексиканского сомбреро».
Идея спонтанного нарушения симметрии также имеет свою историю тернистого пути развития. Первоначально она была введена в физику элементарных частиц из физики твердого тела (в которой явление спонтанного нарушения симметрии в областях фазовых переходов достаточно хорошо изучены) В. Гейзенбергом, а также Намбу, Голдстоуном и другими учеными, работавшими в обеих областях физики. Далее, Голдстоуном было показано, что спонтанное нарушение симметрии обязательно влечет за собой появление безмассовой частицы с нулевым спином, так называемого «голдстоуновского бозона».
Однако никаких таких «галдстоуновских бозонов» в эксперименте не наблюдалось. Это ставило под сомнение в случае объединения идеи спонтанного нарушения симметрии с неабелевыми калибровочными полями существование неинвариантных вакуумных конденсатов. С. Вайнберг вспоминает, какое разочарование вызвало в нем появление в теории без-
тело, находящееся в точке, соответствующей симметричному решению исходной вращательной симметрии (рис. 1а), неустойчиво, и скатится в одно из возможных устойчивых состояний, соответствующих минимуму энергии (рис. 16).
На пути построения единой теории поля
69
массовых голдстоуновских бозонов. «Насколько помню, я был столь разочарован этими нулевыми массами, — пишет он, — что при написании статьи по этому вопросу я добавил к ней эпиграф, чтобы показать бессмысленность попыток объяснить что-либо в терминах неинвариантного состояния вакуума: это были слова Лира к Корделии: „Из ничего не выйдет ничего. Так объяснись"» [20. С. 38]. Вскоре Хиггсом, Кибблом и др. [184] было показано, что голдстоуновский бозон существовал бы, если бы не наличие калибровочной инвариантности. Калибровочные бозоны в момент спонтанного нарушения симметрии хиттсовым полем, т. е. в момент
:возникновения голдстоуновских бозонов, «съедают» голдстоуновские бозоны, т с. в спонтанно нарушенной калибровочной симметрии калибровочный векторный бозон использует степень свободы голдстоуновского бозона для перехода из безмассового состояния в состояние бозона, обладающего массой. Массивный векторный бозон имеет три спиновых состояния (три степени свободы), в то время как векторный безмассовый бозон имеет две степени свободы. То, что являлось бы «голдстоуновским бозоном», если бы теория не была калибровочно-инвариантной, т. е. в ней не существовало бы векторных калибровочных бозонов, становится состоянием с продольной поляризацией для калибровочного векторного бозона, оказывается гой недостающей степенью свободы, благодаря чему векторные бозоны приобретают массу. Так что, голдстоуновские бозоны отщепляются и пропадают, калибровочные же бозоны приобретают массу, и остается хиггеовое поле с хигтеовым бозоном со спином 0. Математически «механизм Хигтса» очень красив и логичен, превращает голдстоуновские бозоны из «нежелательных пришельцев в долгожданных друзей» [20. С. 39]. Однако физический смысл этого механизма в современной физике элементарных частиц понят не полностью, хотя и даст новое представление о роли физического вакуума в истории нашего конкретного мира, ибо ставит вопрос о происхождении масс частиц вследствие генерирования их определенным состоянием вакуума. В стандартной модели квантовой теории поля именно хиттсовым механизмом объясняется появление масс у элементарных частиц вследствие спонтанного нарушения соответствующих симметрии.
Итак, в 1967 году Вайнбсргом и Саламом была применена идея спонтанного нарушения симметрии для построения теории с массивными W* t Z0-бозонами и безмассовым фотоном у. Однако «вайнберг-сала-мовская лягушка» превратилось, по образному выражению Колемана, «в
