Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Андерсон не был специалистом в области элементарных частиц, но он понимал основные идеи, лежащие в основе теории бозонов Намбу-Голдстоуна. К тому же они сыграли важную (возможно, косвенную) роль в его работе по теории БКШ в 1958 году. Он еще в 1952 году понял важные последствия нарушения симметрии и сейчас считает этот результат своим самым большим вкладом в физику. Андерсон также не верил, что спонтанное нарушение симметрии всегда связано с безмассовыми частицами, поскольку оно пришло из модели БКШ, а в этой модели никаких безмассовых частиц не было.
В 1962 году Андерсон написал статью (опубликованную в 1963 году), получив годом ранее одобрение Швингера, в которой пытался объяснить физикам элементарных частиц, как избежать опасности появления в их теории безмассовых частиц. Решение было весьма элегантное: безмассовая частицы – переносчик взаимодействий, с которых вы начинаете при ненарушенной симметрии, и безмассовый бозон Намбу-Голдстоуна, образовавшиеся в результате спонтанного нарушения симметрии, объединяются в одну массовую частицу – переносчик взаимодействия. Образно говоря, «два минуса дают плюс».
Андерсон сформулировал это вполне четко: «Учитывая сверхпроводящий аналог, вполне вероятно, что теперь открывается путь для написания теории вырожденного вакуума типа теории Намбу, поскольку ликвидируются трудности, связанные и с нулевой массой калибровочных бозонов Янга-Миллса и с нулевой массой голдстоуновских бозонов. Похоже, эти два типа бозонов способны «слиться друг с другом», в результате чего останутся только бозоны с конечными массами».
Однако физики элементарных частиц не услышали послание, несмотря на опубликование этих результатов, или же услышали, но не поверили. Идеи Андерсона касались общих свойств полей при спонтанном нарушении калибровочной симметрии. Но Андерсон не построил точную модель фундаментального поля, которое и нарушает симметрию. Он показал, что следствий теоремы Голдстоуна можно избежать, но не объяснил, в каких именно случаях условия теоремы не соблюдаются.
В конденсированных средах легко измерить скорость по отношению к веществу, в котором эта скорость измеряется. В пустом же пространстве нет выделенной системы отсчета, и теория относительности утверждает, что все скорости равноправны. В доказательстве теоремы Голдстоуна теория относительности сыграла решающую роль. Для многих физиков частиц тот факт, что теорема Голдстоуна строго доказана, оказался важнее, чем примеры Андерсона, демонстрирующие нарушение теоремы, и они обратились к теории относительности, чтобы с ее помощью попытаться устранить противоречия. В 1963 физик из Гарварда Уолтер Гилберт написал статью, в которой точно сформулировал этот аргумент. (Гилберт в то время собирался бросить физику элементарных частиц и переключиться на биологию. Смена рода деятельности не обязательно свидетельствует об отсутствии таланта, и в 1980 году он получил Нобелевскую премию по химии за работу по нуклеотидам.) Абрахам Клейн и Бенджамин Ли в 1964 году опубликовали статью, в которой приведены условия для нерелятивистского случая, при которых теорема Голдстоуна не выполняется, и предположили, что аналогичные рассуждения можно применить и к релятивистскому случаю, но их аргументы не посчитали убедительными.
Сам Андерсон был слишком осторожен, а потому даже не заикался о спонтанном нарушении симметрии в пустом пространстве, и у него для этого были вполне веские причины, которые не дают нам покоя и по сей день. Если у вас есть поле с ненулевым значением в пустом пространстве, оно должно обладать энергией. Она может быть положительной или отрицательной, но у нее нет никаких особых причин быть нулевой. Эйнштейн давно приучил нас к тому, что энергия пустого пространства – энергия вакуума – оказывает важное влияние на гравитацию, ускоряя или замедляя расширение Вселенной (в зависимости от того, энергия положительна или отрицательна). Простые прикидки показывают, что энергия, о которой мы говорим, столь велика, что мы давно бы заметили ее – или, вернее, ее некому было бы заметить, поскольку Вселенная бы разорвалась или сколлапсировала сразу после Большого взрыва. Мы говорим о так называемой «проблеме космологической постоянной», которая остается одной из наиболее актуальных проблем в области теоретической физики. Сейчас считается, что скорее всего существует некая положительная энергия пустого пространства – «темная энергия» – которая заставляет Вселенную ускоренно расширяться, и за этот результат в 2011 году была присуждена Нобелевская премия по физике. Но количество этой темной энергии намного меньше, чем предсказывает теория, так что загадка остается.
1964 год. Энглер и Браут
Каждый физик, если ему достался такой драгоценный товар, как «хорошая идея», живет в страхе, что ее кто-то украдет и опубликует прежде, чем он сделает это сам. Учитывая количество идей, можно было бы ожидать, что такое случается редко. Но идеи не появляются внезапно – все ученые встроены в коммуникативную структуру, которую составляют научные доклады, статьи и неформальные беседы, и очень часто случается, что два или несколько человек, никогда прежде не встречавшихся друг с другом, размышляют об одних и тех же проблемах. (Вот и в XVII веке Исаак Ньютон и Готфрид Лейбниц сумели изобрести интегральное исчисление совершенно независимо друг от друга.)
В 1964 году – том же году, когда «битлы» покорили Америку – три независимые группы физиков выдвинули очень похожие идеи того, что спонтанное нарушение локальной симметрии не приводит к появлению безмассовых бозонов, а только бозонов, у которых есть масса и которые, следовательно, являются переносчиками короткодействующих взаимодействий. Первой появилась статья Франсуа Энглера и Роберта Браута из Брюссельского свободного университета Бельгии. Затем появились одна за другой две статьи Питера Хиггса из Эдинбурга – столицы Шотландии. А потом американцы Карл Ричард Хаген и Джеральд Гуральник (бывший аспирантом Уолтера Гилберта) в соавторстве с англичанином Томом Кибблом тоже написали статью. Все три группы работали независимо, и все они заслуживают того, чтобы их признали соавторами теории, которую мы сейчас называем «механизмом Хиггса». Заметим, что вклад каждого из них продолжает обсуждаться.
Статья Энглера и Браута была короткой и касалась только существа вопроса. Энглер и Браут познакомились в 1959 году, когда Энглер приехал к Корнелл в качестве постдока к Брауту. В первый же день, когда они встретились и зашли выпить по кружке пива, затем по второй, затем еще по одной, они сразу понравились друг другу. Когда Энглер в 1961 году вернулся в Бельгию, чтобы занять преподавательскую должность в университете Брюсселя, Браут с женой сначала побывали у него в гостях, им там понравилось, и потом они решили переехать в Брюссель насовсем. Браут и Энглер оставались близкими друзьями и соратниками вплоть до кончины Браута в 2011 году.
В своей знаменитой статье они рассмотрели два вида полей: калибровочное поле, носителем которого является калибровочный бозон, и набор из двух нарушающих симметрию скалярных полей, которые в пустом пространстве принимают ненулевое значение. Похожая постановка содержалась и в работе Голдстоуна по нарушению глобальной симметрии, но с добавлением калибровочного поля, необходимого для локальной симметрии. В статье авторы не уделили большого внимания свойствам скалярных полей, сфокусировавшись вместо этого на том, что происходит с калибровочным полем. Используя диаграммы Фейнмана, они показали, что калибровочные бозоны получают массу, не нарушая основной симметрии, – в полном соответствии с требованиями теории относительности и вопреки опасениям Гилберта. Всю эту теорию они построили, видимо, ничего не зная о статье Андерсона, опубликованной годом раньше.
1964 год. Хиггс
В 1960 году Питер Хиггс вернулся в родную Шотландию после получения докторской степени в Университетском колледже в Лондоне и занял место преподавателя в университете Эдинбурга. Он знал о работе Андерсона и заинтересовался вопросом о том, как в релятивистской теории можно избежать выполнения условий теоремы Голдстоуна. В июне 1964 года Хиггс открыл последний выпуск главного в США физического журнала Physical Review Letters и наткнулся на статью Гилберта. Позднее он вспоминал: «В первую минуту мне захотелось сказать, что все это ерунда, поскольку автор, казалось, опровергал теорию Намбу». Но тут Хиггс вспомнил, что Швингер нашел лазейку в существующих представлениях о том, что калибровочные бозоны должны быть безмассовыми из соображений симметрии, и подумал, что, может, удастся расширить лазейку на случай спонтанно нарушенных симметрий. Понимая, что это важный вопрос, Хиггс быстро написал короткую статью, которая была опубликована в Physics Letters – европейском аналоге Physical Review Letters. В ней впервые было явно показано, что условия теоремы Голдстоуна могут не выполняться в случае калибровочной симметрии, даже когда теория относительности играет важную роль.
