Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

Однією з найбільших удач у моєму житті була нагода впродовж перших та основоположних років моєї кар’єри тісно співпрацювати з Ґлешоу та Вайнберґом. Після того, як Ґлешоу допоміг мені врятуватися від чорної діри математичної фізики, він став моїм колегою в Гарварді й на довгі роки по тому. Вайнберґ навчив мене більшості з того, що я знаю про фізику елементарних частинок. У МТІ не треба прослуховувати курси, лише складати іспити, тож, працюючи в МТІ над докторською дисертацією, я записався лише на кілька курсів із фізики. Проте однією з фішок навчання в МТІ була можливість прослуховувати курси в Гарварді. Упродовж докторантури я записувався чи відвідував як вільний слухач усі курси для докторантів, які викладав Вайнберґ, від квантової теорії поля й далі. Ґлешоу та Вайнберґ стали взаємодоповнювальними прикладами для наслідування в моїй власній кар’єрі. Я намагався якнайкраще відтворювати перейняті від них риси, розуміючи при цьому, що моє «найкраще» і поруч не стояло з їхнім рівнем.

Вайнберґ мав і має широкий та незмінний інтерес до тонкощів квантової теорії поля і, як і багато хто на початку 1960-х, намагався зосередитися на тому, як можна зрозуміти природу сильної взаємодії, використовуючи ідеї симетрії, які на той час значною мірою завдяки роботам Гелл-Манна беззаперечно домінували в галузі.

Вайнберґ також розмірковував стосовно можливого застосування ідей порушення симетрії до розуміння ядерних мас на основі роботи Намбу та, як і Хіггс, був вельми розчарований результатом, який одержав Ґолдстоун, що така фізика завжди супроводжуватиметься безмасовими частинками. Тож Вайнберґ, як майже завжди, коли цікавився якоюсь фізичною ідеєю, вирішив, що має довести це самому собі. Саме тому його наступна стаття в співавторстві з Ґолдстоуном та Саламом містила кілька незалежних доведень цієї теореми в контексті сильно взаємодійних частинок і полів. Вайнберґ був настільки пригнічений можливими поясненнями сильної взаємодії за допомогою спонтанного порушення симетрії, що як епіграф додав до чорнового варіанта статті відповідь короля Ліра Корделії: «З нічого і не вийде нічого. Ще подумай – і скажи».[10] (У книжці «Всесвіт із нічого» я роз’яснюю, чому не є великим прихильником цієї цитати. Квантова механіка розмиває межі між чимось і нічим.)

Далі Вайнберґ дізнався про результат, який одержав Хіггс (та інші), що можна позбутися небажаних безмасових бозонів Ґолдстоуна, які виникають через порушення симетрії, якщо порушувана симетрія є калібрувальною симетрією, оскільки в цьому випадку безмасові бозони Ґолдстоуна зникають, а натомість безмасові калібрувальні бозони стають масивними. Проте на Вайнберґа це особливого враження не справило, оскільки, як і багато інших фізиків, він розглядав це як цікаву формальність.

Мало того, на початку 1960-х років ідея, що піон багато в чому подібний до бозона Ґолдстоуна, була використана для виведення кількох формул наближеного обчислення певних швидкостей реакції сильної взаємодії. Через це заклик позбутися бозонів Ґолдстоуна в сильній взаємодії став іще менш привабливим. Упродовж цього періоду Вайнберґ витратив кілька років на дослідження цих ідей. Він розробив теорію, згідно з якою деякі симетрії, які вважали пов’язаними із сильною взаємодією, могли спонтанно порушуватися, а різноманітні сильно взаємодійні векторні калібрувальні частинки, які переносять сильну взаємодію, могли набувати масу за механізмом Хіггса. Проблема полягала в тому, що він не міг досягти згоди зі спостереженнями, не зіпсувавши початкову калібрувальну симетрію, яка боронила його теорію. Єдиною можливістю уникнути цього й зберегти потрібну йому початкову калібрувальну симетрію було досягти, щоб деякі векторні частинки стали масивними, а інші лишилися безмасовими. Проте це суперечило експериментам.

Тоді одного дня 1967 року дорогою до МТІ він побачив світло, як буквально, так і фігурально (я їздив разом зі Стівом у Бостоні, і хоча я вижив, щоб розповісти про це, я побачив, що, коли він думає про фізику, його абсолютно перестають цікавити масивні об’єкти на кшталт інших автівок). Вайнберґ раптом збагнув, що, можливо, він і всі інші застосовували правильні ідеї спонтанного порушення симетрії, проте не до тієї проблеми! У природі був іще один приклад, пов’язаний із двома різними векторними бозонами, одним безмасового типу, а другим – масивного. Безмасовий векторний бозон міг бути фотоном, а масивним (чи масивними) – масивний(-і) переносник(-и) слабкої взаємодії, чиє існування десятиліттям раніше припустив Швінґер.

Якщо це було так, тоді слабкі й електромагнітні взаємодії можна було описати об’єднаним набором калібрувальних теорій, одна з яких відповідала б електромагнітній взаємодії (яка залишалася непорушною), а друга – слабкій взаємодії, і порушення калібрувальної симетрії призводило б до виникнення кількох масивних переносників цієї взаємодії.

У цьому випадку світ, у якому ми живемо, виглядав би точнісінько як надпровідник.

Слабка взаємодія була б слабкою через просту випадковість, унаслідок якої основний стан полів у нашому поточному всесвіті порушує калібрувальну симетрію, яка в іншому разі визначала б симетрію слабкої взаємодії. Фотоноподібні калібрувальні частинки набули б великих мас, і, як очікував Швінґер, слабка взаємодія стала б настільки близькодійною, що практично згасла б навіть на масштабах довжин протонів і нейтронів. Це також пояснило б, чому нейтронний розпад відбувається настільки повільно.

Масивні частинки, які переносять слабку взаємодію, виглядали б для нас так само, як виглядали б фотони для гіпотетичних фізиків, які живуть усередині надпровідника. А отже, різниця між електромагнетизмом і слабкою взаємодією була б настільки ж ілюзорною, як і різниця між силами, напрямленими вздовж крижини, і напрямленими перпендикулярно до неї з точки зору фізиків, які живуть на крижаних кристалах на віконному склі. Той факт, що у світі нашого з вами існування одна калібрувальна симетрія порушується, а друга – ні, стає простою випадковістю.

Вайнберґ прагнув уникнути роздумів про сильно взаємодійні частинки, оскільки ситуація з ними залишалася заплутаною. Тож він вирішив розмірковувати про частинки, які взаємодіють винятково шляхом слабкої чи електромагнітної взаємодії, а саме електрони й нейтрино. Оскільки слабка взаємодія перетворює електрони на нейтрино, йому довелося уявити собі набір заряджених векторних фотоноподібних частинок, які зумовлювали б таке перетворення. Ці частинки є нічим іншим, як зарядженими векторними бозонами, що їх передбачив Швінґер, які традиційно називаються бозонами W+ та W– (від англійського «weak», тобто «слабкий»).

Оскільки внаслідок слабкої взаємодії змішуються лише ліворукі електрони