Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

моєї аналогії з шахівницею, якщо випадковим чином поміняти кольори клітинок, для здійснення правильних ходів на всій дошці потрібна одна загальна книга правил. Проте запровадження масивних калібрувальних полів, якими не можна обмінюватися на необмежено великих відстанях, еквівалентне створенню книги правил, котра пояснює, як нівелювати зміну кольорів лише в найближчих до відправної точки клітинках. Проте це не дасть вам змоги пересувати фігури на дошці у віддалені місця.

Коротше кажучи, калібрувальна симетрія на зразок характерної для електромагнетизму чи більш езотеричної пропозиції Янга – Міллза працює тільки в тому випадку, якщо нові поля, яких вимагає ця симетрія, безмасові. З-поміж усіх математичних складнощів цей конкретний факт є непорушним.

Проте в природі не спостерігають жодних, окрім електромагнетизму й гравітації, далекосяжних сил, що передбачають обмін безмасовими частинками. Ядерні взаємодії близькодійні, вони спрацьовують суто в межах ядра.

Ця очевидна проблема не пройшла повз Янга та Міллза, які її розгледіли та, відверто кажучи, сіли в калюжу. Вони висловили припущення, що якимось чином їхні нові частинки можуть ставати масивними в результаті взаємодії з ядром. Коли вони спробували оцінити їхні маси на основі неемпіричних обрахунків, теорія виявилася занадто складною математично, щоб мати змогу зробити прийнятні оцінки. Вони знали лише те, що емпірично маса нових калібрувальних частинок мала б бути більшою за масу піонів, адже в іншому випадку їх було б виявлено в ході тодішніх експериментів.

Така готовність підняти руки вгору може здатися або лінощами, або непрофесіоналізмом, проте Янг із Міллзом, як до того Юкава, знали, що ще нікому не вдалося виписати прийнятну квантову теорію поля частинки, яка була б подібна до фотона, проте, на відміну від нього, мала б масу. Тож на той момент здавалося, що не варто марно витрачати час та зусилля на спроби одним махом розв’язати всі проблеми квантової теорії поля. Натомість вони з більшою шанобливістю, аніж Джонатан Свіфт, подали свою статтю лише як скромну пропозицію з метою пришпорити уяву колег.

Вольфганг Паулі, одначе, був позбавлений її начисто. Хоча роком раніше він розмірковував щодо деяких споріднених ідей, він усі їх відкинув. Мало того, він вважав, що всі ці розмови про квантові невизначеності під час оцінювання мас були помилковим слідом. Якщо в природі дійсно існувала нова калібрувальна симетрія, яка була пов’язана з ізотопічним спіном та керувала ядерними силами, тоді нові янг-міллзівські частинки мали б бути безмасовими, точно як фотони.

Зокрема, саме з цієї причини стаття Янга й Міллза свого часу наробила значно менше шуму, аніж пізніший опус Янга та Лі. Для більшості фізиків то була в найкращому випадку цікава дивина, а відкриття порушення парності здавалося значно більш захопливим.

Проте не для Джуліана Швінґера, який не був пересічним фізиком. Вундеркінд, він у 18-річному віці закінчив університет, а у 21 рік захистив докторську дисертацію. Мабуть, важко знайти більш різних фізиків, аніж він та Річард Фейнман, які 1965 року розділили Нобелівську премію за окремі, проте еквівалентні праці з розробки теорії квантової електродинаміки. Швінґер був вишуканим, формальним та геніальним. Фейнман був геніальним, невимушеним і аж ніяк не вишуканим. Фейнман часто спирався на інтуїцію та вгадування, виїжджаючи за рахунок дивовижного математичного хисту й досвіду. Швінґерів математичний хист нічим не поступався фейнманівському, проте Швінґер працював акуратно, маніпулюючи складними математичними виразами з легкістю, недосяжною для простих смертних. Він жартував щодо діаграм Фейнмана, які той розробив задля полегшення страшенно трудомістких обрахунків у рамках квантової теорії поля: «Подібно до силіконових чипів, що з’явилися в останні роки, діаграма Фейнмана несла обрахунки в маси». Утім, у них обох була спільна риса. Вони крокували не в ногу з усіма… у протилежних напрямках.

Швінґер серйозно поставився до ідеї Янга – Міллза. Мабуть, його привабила її математична краса. Того ж 1957 року, коли відкрили порушення парності, Швінґер висунув сміливе та на перший погляд дуже малоймовірне припущення, що слабка взаємодія, відповідальна за розпад нейтронів на протони, електрони та нейтрино, може мати вигоду від можливості існування полів Янга – Міллза, проте в новий та незвичайний спосіб. Він запропонував ідею, що спостережувана калібрувальна симетрія електромагнетизму може бути лише частиною більшої калібрувальної симетрії, у якій нові калібрувальні частинки можуть переносити слабку взаємодію, яка змушує нейтрони розпадатися.

Очевидним запереченням проти такого роду об’єднання є те, що слабка взаємодія значно слабша за електромагнетизм. Швінґер мав на це відповідь. Якщо якимось чином нові калібрувальні частинки є дуже важкими, майже в сотню разів важчими за протони й нейтрони, тоді взаємодія, яку вони здатні передавати, матиме значно менший радіус дії, аніж навіть розмір ядра або навіть одного протона чи нейтрона. У цьому випадку можна вирахувати, що ймовірність того, що ця взаємодія змусить нейтрон розпастися, буде дуже малою. Таким чином, якщо радіус дії слабкої взаємодії малий, тоді ці нові поля, силу чийого внутрішнього зв’язування з електронами й протонами на малих масштабах можна порівняти із силою електромагнетизму, на масштабах ядра й більше можуть здаватися значно, значно слабшими.

Простіше кажучи, Швінґер запропонував дику ідею, що електромагнетизм і слабка взаємодія були, попри значні й очевидні відмінності між ними, частинами єдиної теорії Янга – Міллза. Він не виключав, що фотон може бути тим самим нейтральним членом множини з трьох калібрувальних частинок янг-міллзівського типу, потрібних для розгляду ізотопічного спіну як калібрувальної симетрії, причому саме заряджені версії переносять слабку взаємодію та відповідальні за спричинення розпаду нейтронів. Він не мав гадки, чому в такому разі заряджені частинки матимуть величезну масу, тоді як фотон не матиме ніякої. Проте, як я вже не раз казав, брак розуміння не є свідченням ані існування Бога, ані того, що ви неодмінно помиляєтеся. Це всього-на-всього свідчення браку розуміння.

Швінґер був не тільки блискучим фізиком, а й блискучим учителем та наставником. Тоді як у Фейнмана було лише кілька успішних студентів, – не виключено, через те, що ніхто з них за ним не встигав, – Швінґер (таке враження) був майстром наставляти блискучих докторантів. За своє життя він був керівником понад сімдесяти докторів філософії, і четверо з його колишніх студентів здобули Нобелівську премію.

Швінґер був достатньо зацікавлений у пов’язуванні слабкої взаємодії з електромагнетизмом, щоб заохотити дослідити