Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

припала найменша кімната, на горищі з видом на Старе поле, і насолоджувався не лише фізикою, а й алкоголем, а також програшами в грі на випивку з одним із лекторів, оксфордським фізиком Гремом Россом, на сусідньому полі для мінігольфу, яке небезпідставно прозвали «Гімалаями». ‘Т Гофт був не лише фізиком майже неземного таланту, а й неабияким художником. 1980 року він переміг на щорічному шкільному конкурсі з дизайну футболок, і я досі зберігаю футболку з його малюнком і автографом. Не можу примусити себе розлучитися з нею, хоч би як мене вабив eBay. (Двадцять років по тому, 2000-го, я повернувся до цієї літньої школи, проте цього разу як лектор. На відміну від Ґлешоу, ‘т Гофта, Велтмана та Хіггса, я не привіз Нобелівської премії, проте нарешті дістав змогу поносити кілт. Ще одна галочка в списку зробленого.)

Відпрацювавши в літній школі 1960 року, Хіггс почав читати літературу із симетрії та порушення симетрії, вивчаючи праці Намбу, Ґолдстоуна, Вайнберґа та Андерсона. Хіггса пригнічувало неможливе на перший погляд завдання примирити теорему Ґолдстоуна з можливістю існування масивних векторних янг-міллзівських частинок, які можуть переносити сильну силу. Але потім, того чарівного 1964 року, коли Гелл-Манн увів поняття кварків, Хіггс прочитав дві статті, які подарували йому надію.

Першою була стаття Авраама Кляйна та Бена Лі, який на момент своєї загибелі в автокатастрофі дорогою на з’їзд фізиків був одним із найблискучіших молодих фізиків елементарних частинок у світі. Вони пропонували спосіб уникнути теореми ґолдстоуна та позбутися неспостережуваних натомість безмасових частинок у квантових теоріях поля.

Далі Волтер Ґілберт, молодий фізик із Гарварду – який невдовзі вирішить полишити сповнену бентежень фізику елементарних частинок заради більш тепличних умов молекулярної біології, де здобуде Нобелівську премію за сприяння розробці методу секвенування ДНК, – написав статтю, у якій показав, що розв’язання, яке запропонували Кляйн і Лі, схоже, призводить до протиріччя з теорією відносності, а отже, сумнівне.

Як ми вже бачили, калібрувальні теорії мають цікаву властивість, яка дозволяє довільно змінювати визначення позитивних та негативних зарядів у кожній точці простору без зміни будь-яких спостережуваних фізичних властивостей системи за умови, що електромагнітне поле має можливість як зберегти свої наявні взаємодії, так і змінитися таким чином, щоби правильно врахувати ці нові локальні варіації. Як наслідок можна здійснювати математичні обрахунки за будь-якого калібрування, тобто використовуючи будь-які конкретні локальні визначення зарядів та полів, консистентних із симетрією. Перехід від одного калібрування до іншого здійснюють за допомогою відповідного перетворення симетрії.

Хоча в цих різних калібруваннях теорія може виглядати зовсім по-різному, симетрія теорії гарантує, що обрахунки будь-якої фізично вимірювальної величини не залежать від вибору калібрування – а саме, що видимі відмінності є ілюзіями, які не відображають базисну фізику, котра визначає вимірювані значення всіх фізично спостережуваних величин. Таким чином, можна обирати таке калібрування, у якому легше проводити обрахунки, і очікувати, що в результаті обрахунків у будь-якому іншому калібруванні будуть одержані такі самі передбачені значення фізично спостережуваних величин.

Читаючи статті Швінґера, Хіггс збагнув, що деякі обрані калібрування можуть виглядати такими, що суперечать теорії відносності, так само, як, за словами Ґілберта, їй суперечить пропозиція Кляйна та Лі. Проте цей видимий конфлікт був просто артефактом певного конкретного вибору калібрування. В інших калібруваннях він зникне. Отже, коли справа дійде до формулювання фізичних передбачень, які можна перевірити, він не буде відображенням жодного реального конфлікту з теорією відносності. Тож можливо, що в калібрувальній теорії запропонований Кляйном та Лі спосіб позбутися безмасових частинок, пов’язаних зі спонтанним порушенням симетрії, усе-таки може спрацювати.

Хіггс дійшов висновку, що спонтанне порушення симетрії в моделі квантової теорії поля, яке включає в себе калібрувальну симетрію, може уникнути обмежень теореми Ґолдстоуна та породити масу для векторних бозонів, котрі можуть переносити сильну ядерну силу без участі будь-яких залишкових безмасових частинок. Це корелюватиме з виявленим Андерсоном електромагнетизмом у надпровідниках у нерелятивістському випадку. Іншими словами, через спонтанне порушення симетрії сильна взаємодія могла бути близькодійною силою.

Упродовж пари вікендів Хіггс працював, виписуючи модель, у рамках якої до моделі, яку використав Ґолдстоун для дослідження спонтанного порушення симетрії, додавався електромагнетизм. Хіггс виявив саме те, що очікував: передбачувана теоремою Ґолдстоуна безмасова мода натомість перетворювалася на додатковий поляризаційний ступінь свободи нині масивного фотона. Іншими словами, нерелятивістське твердження Андерсона для надпровідників поширювалося на релятивістські квантові поля. Усе-таки всесвіт міг поводитися, як надпровідник.

Коли Хіггс письмово оформив отримані результати й подав їх до європейського журналу «Physics Letters», його статтю одразу ж відхилили. Рецензент банально не зрозумів, яке вона має відношення до фізики елементарних частинок. Тож Хіггс додав кілька пасажів, у яких прокоментував можливі спостережувані наслідки своєї ідеї, і подав перероблений варіант до американського журналу «Physical Review Letters». Зокрема, він додав таке речення: «Варто зазначити, що ключовою рисою цього типу теорії є передбачення неповних мультиплетів скалярних та векторних бозонів».

Українською це означає, що Хіггс продемонстрував таке: при тому, що в його моделі можна прибрати безмасову скалярну частинку (вона ж бозон Ґолдстоуна) на користь масивної векторної частинки (масивного фотона), існуватиме також залишкова масивна скалярна (тобто безспінова) бозонова частинка, пов’язана з полем, конденсація якого порушила вихідну симетрію. Так народився бозон Хіггса (БХ).

«Physical Review Letters» швидко прийняли статтю, проте рецензент попросив Хіггса прокоментувати зв’язок його статті зі статтею Франсуа Анґлера й Роберта Браута, одержаною журналом десь за місяць до того. На превеликий подив Хіггса, вони незалежно від нього дійшли, по суті, тих самих висновків. І справді, подібність цих статей проявляється навіть у їхніх назвах. Стаття Хіггса називалася «Порушені симетрії й маси калібрувальних бозонів», а стаття Анґлера й Браута – «Порушена симетрія й маса калібрувальних векторних мезонів». Важко собі уявити подібніші назви за відсутності їхнього узгодження.

Проте на цьому щасливі збіги не закінчилися. Двадцять років по тому на черговій конференції Хіггс зустрівся з Намбу та дізнався, що той рецензував обидві ці статті. Годі й придумати щось доречніше за те, що саме людина, яка першою привнесла до фізики елементарних частинок ідеї порушення симетрії та надпровідності, рецензувала статті тих, хто продемонстрував, наскільки його ідеї були далекоглядними. І, як і сам Намбу, усі ці автори були одержимі сильною взаємодією й можливістю зрозуміти, яким чином