Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира - Шон Кэрролл

Это было плохой новостью. Казалось, что, даже если вы применяете теории БКШ и Намбу и используете спонтанное нарушение симметрии как способ дать массу гипотетическим бозонам Янга-Миллса (переносчикам ядерных сил), сама ваша методика порождает другой вид безмассовых бозонов, а их в экспериментах не находили.

К счастью, решение этой загадки нашлось почти одновременно с ее появлением. По крайней мере, оно было известно Филу Андерсону из Bell Labs, и он очень постарался сделать так, чтобы о нем стало известно всему миру. Андерсон, получивший Нобелевскую премию в 1977 году, считался одним из лучших в мире специалистов в области конденсированных сред. Он стал интеллектуальным гуру в этой области, а его знаменитая статья 1972 года под названием «Много – совсем не то что одна», помогла всем понять, что изучение коллективного поведения многих частиц не менее интересно и важно, чем изучение базовых законов поведения отдельных частиц. В отличие от сдержанного Намбу Андерсон всегда был готов высказать свое мнение и часто делал это в провокативной форме: подзаголовок сборника его эссе – «Записки размышляющего ворчуна», а на задней странице обложки его биографии нам сообщается, что «несколько раз он принимал участие в научных спорах на горячие темы, в которых его точка зрения, хотя и непопулярная в то время, в конце концов чаще всего оказалась верной».

Безусловно, Намбу был вдохновлен идеями теории БКШ, но модель, которую он и Йона-Лазинио предложили, касалась спонтанного нарушения в пустом пространстве глобальной, а не локальной (калибровочной) симметрии. Но именно локальная симметрия приводит к появлению калибровочных полей и, следовательно, сил природы. Глобальные симметрии могут помочь нам понять наличие или отсутствие различных взаимодействий, но они не приводят к появлению новых сил.

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.

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.