Теория Янга – Миллса

Поскольку поле Максвелла в свое время так успешно предсказывало свойства, обнаруживаемые в электромагнетизме, физики начали изучать новую версию уравнения Максвелла. Ее предложили Чжэньнин Янг и Роберт Миллс в 1954 г. Вместо всего лишь одного поля, предложенного Максвеллом в 1861 г., эта теория вводила целое семейство таких полей. Та же симметрия, которую Гелл-Манн в своей теории использовал для перестановки кварков, в этой теории использовалась для взаимной замены полей Янга – Миллса.

Идея была проста. Раз атом удерживается в связанном состоянии электрическим полем, которое описывается уравнениями Максвелла, то кварки, возможно, удерживаются тем, что вытекает из обобщения уравнений Максвелла, то есть полями Янга – Миллса. Та же симметрия, которая описывает кварки, теперь применяется к полю Янга – Миллса.

Однако на протяжении нескольких десятилетий эта простая идея оставалась невостребованной, поскольку при расчете свойств частиц Янга – Миллса результат опять получался бесконечным, в точности как в случае КЭД. К несчастью, тех фокусов, что предложил в свое время Фейнман, для перенормировки теории Янга – Миллса оказалось недостаточно. Многие годы физики отчаянно, но безуспешно пытались найти конечную теорию ядерного взаимодействия.

Наконец у одного изобретательного голландского аспиранта, Герарда 'тХоофта, хватило смелости и упорства, чтобы решить проблему в лоб – продраться сквозь частокол бесконечных членов и перенормировать поле Янга – Миллса. К тому моменту компьютеры уже были достаточно мощными, чтобы анализировать эти бесконечности. Когда его компьютерная программа выдала серию нулей, представлявших квантовые поправки, он окончательно убедился, что прав.

Новость об этом прорыве сразу же привлекла внимание физиков. Шелдон Глэшоу даже воскликнул: «Или этот парень полный идиот, или он величайший гений из всех, кто пришел в физику за последние годы!»[38]

Именно лобовое решение задачи принесло в 1999 г. 'тХоофту и его научному руководителю Мартинусу Велтману Нобелевскую премию. Внезапно появилось новое поле, при помощи которого можно было связать известные частицы в ядерном взаимодействии и объяснить слабое ядерное взаимодействие. В применении к кваркам поле Янга – Миллса получило название «глюон», потому что действовало подобно клею, скрепляющему кварки друг с другом. (Компьютерное моделирование показывает, что поле Янга – Миллса конденсируется в похожую на тянучку субстанцию, которая затем, подобно клею (англ. glue), скрепляет кварки.) Чтобы это происходило, нужны были кварки трех типов, или цветов, подчиняющиеся трехкварковой симметрии Гелл-Манна. Так что широкую популярность начала набирать новая теория сильного ядерного взаимодействия. Ее окрестили квантовой хромодинамикой (КХД), и сегодня именно она представляет собой самое известное описание сильного ядерного взаимодействия.

Бозон Хиггса – частица Бога

Таким образом, постепенно из хаоса складывалась новая теория, получившая название Стандартной модели элементарных частиц. Путаница, окружавшая зоопарк элементарных частиц, потихоньку уходила, сменяясь некоторым порядком. Поле Янга – Миллса (называемое глюоном) удерживало кварки в нейтроне и протоне, а другое поле Янга – Миллса (называемое W- и Z-частицами) описывало взаимодействие между электронами и нейтрино.

Однако окончательному принятию Стандартной модели мешало отсутствие последней детали субатомной головоломки, которую называли бозоном Хиггса, а иногда даже частицей Бога. Одной симметрии было недостаточно. Требовался способ нарушения этой симметрии, поскольку Вселенная, которую мы видим вокруг, не является идеально симметричной.

Когда мы смотрим на нынешнюю Вселенную, то кажется, что все четыре фундаментальных взаимодействия не зависят друг от друга. Гравитация, свет и ядерные взаимодействия на первый взгляд не имеют между собой ничего общего. Но, если отходить все дальше и дальше назад во времени, эти взаимодействия начинают сливаться, складываясь, возможно, на момент возникновения Вселенной всего в один тип взаимодействия.

Начала вырисовываться новая картина, в которой физика элементарных частиц использовалась для объяснения величайшей загадки космологии – рождения Вселенной. Неожиданно две очень разных области науки – квантовая механика и общая теория относительности – стали превращаться в одну.

В этой новой картине в момент Большого взрыва все четыре взаимодействия были слиты в единое супервзаимодействие, которое подчинялось главной симметрии, способной превращать все частицы Вселенной друг в друга. Супервзаимодействие подчинялось так называемому уравнению Бога. Именно его симметрия ускользала от Эйнштейна и остальных физиков.

После Большого взрыва Вселенная по мере расширения остывала, и супервзаимодействие и симметрия начали распадаться, оставляя после себя фрагментарные симметрии слабого и сильного ядерных взаимодействий сегодняшней Стандартной модели. Этот процесс называется нарушением симметрии. Таким образом, нам необходим механизм, позволяющий разбить первоначальную симметрию в точности так, чтобы получилась Стандартная модель. Именно в этот момент на сцене появляется бозон Хиггса.

Чтобы представить себе эту картину, вообразите плотину. Вода в водохранилище также обладает симметрией. Если вы провернете всю воду по кругу, общая масса воды, в сущности, не изменится и будет выглядеть примерно так же, как прежде. Мы все из собственного опыта знаем, что вода всегда течет вниз. Дело в том, что, согласно Ньютону, вода всегда стремится прийти в состояние с наименьшей возможной энергией. Если бы плотина разрушилась, вода ринулась бы вниз, чтобы занять состояние с более низкой энергией. Итак, вода за плотиной находится в состоянии с более высокой энергией. Физики называют состояние воды за плотиной ложным вакуумом, потому что оно нестабильно, пока вода не придет в состояние истинного вакуума, то есть в состояние с минимальной энергией там, на дне долины. После прорыва плотины первоначальная симметрия исчезает, но вода приходит в свое истинное состояние покоя.

Этот же эффект можно обнаружить, если проанализировать закипающую воду. Непосредственно перед закипанием вода находится в состоянии ложного вакуума. Она нестабильна, но симметрична, то есть вы можете провернуть весь массив воды, и ее вид не изменится. Но постепенно образуются крохотные пузырьки, причем каждый из них существует в состоянии с более низкой энергией, чем окружающая его вода. Пузырьки начинают расширяться, пока не сольются в достаточной мере и вода не закипит.

В соответствии с этим сценарием Вселенная первоначально находилась в идеально симметричном состоянии. Все элементарные частицы тогда были частью этой самой симметрии, и все они имели нулевую массу. Благодаря нулевой массе их можно было как угодно менять местами, и уравнение при этом оставалось бы прежним. Однако по какой-то неизвестной причине такая Вселенная была нестабильна: она находилась в состоянии ложного вакуума. Поле, необходимое для перехода к истинному (но разрушенному) вакууму, – это поле Хиггса. Подобно электрическому полю Фарадея, пронизывающему все пространство, поле Хиггса также заполняло все пространство-время.