Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

й нейтрино, один тип калібрувальної симетрії визначатиме винятково взаємодії ліворуких частинок із W-частинками. Але оскільки з фотонами взаємодіють як ліворукі, так і праворукі електрони, у це об’єднання треба якимось чином інкорпорувати калібрувальну симетрію електромагнетизму, щоб ліворукі електрони могли взаємодіяти і з фотонами, і з новими зарядженими W-бозонами, тоді як праворукі електрони взаємодіяли б лише з фотонами, проте не з W-частинками.

Математично єдиний спосіб це зробити, як виявив Шелдон Ґлешоу, коли шістьма роками раніше розмірковував про електрослабке об’єднання, полягав у введенні додаткового нейтрального слабкого бозона, з яким могли б взаємодіяти право-й ліворукі електрони на додачу до взаємодії з фотонами. Вайнберґ позначив цей новий бозон Z (від англійського «zero», тобто «нуль»).

Також у природі існувало б нове поле, яке формувало б у порожньому просторі конденсат, спонтанно порушуючи тим самим симетрії, що визначають слабку взаємодію. Елементарною частинкою, пов’язаною з цим полем, був би масивний бозон Хіггса, тоді як решта потенційних бозонів Ґолдстоуна з’їдалися б W– та Z-бозонами, які за рахунок цього ставали б масивними завдяки механізму, що його вперше описав Хіггс. У результаті цього залишався б єдиний безмасовий калібрувальний бозон – фотон.

Проте це ще не все. Завдяки калібрувальній симетрії, яку ввів Вайнберґ, його нова частинка Хіггса також взаємодіяла б з електронами, а формування конденсату привело б до набуття електронами, а також W– та Z-частинками маси. Таким чином, ця модель не лише пояснила б маси калібрувальних частинок, які переносять слабку силу, а й визначила б величину цієї сили. Це саме поле Хіггса також надало б маси електронам.

У цій моделі були наявні всі інгредієнти, необхідні для об’єднання слабкої та електромагнітної взаємодії. Мало того, відштовхуючись від калібрувальної теорії Янга – Міллза з безмасовими до порушення симетрії калібрувальними бозонами, була надія, що аналогічні видатні властивості симетрії калібрувальних теорій, уперше використані у квантовій електродинаміці, також дадуть цій теорії можливість досягти скінченних прийнятних результатів. Хоча фундаментальна теорія з масивними фотоноподібними частинками вочевидь не була позбавлена патологій, була надія, що, якщо маси з’являються винятково внаслідок порушення симетрії, ці патології не виникнуть. Проте на той час це була лише надія.

Очевидно, що в реалістичній моделі частинка Хіггса зв’язувалася б не лише з електроном, а й з іншими задіяними в слабкій взаємодії частинками. За відсутності конденсату Хіггса всі ці частинки: протони чи частинки, з яких вони складаються, мюони тощо – були б строго безмасовими. Кожен аспект, відповідальний за наше існування, узагалі за існування масивних частинок, з яких ми складаємося, постає наслідком простої випадковості природи – формування в нашому всесвіті специфічного конденсату Хіггса. Характерні риси, які роблять наш світ тим, чим він є, – галактики, зорі, планети, люди й взаємодії між усім цим, – суттєво відрізнялися б, якби такий конденсат ніколи не сформувався.

Або сформувався б якось інакше.

Так само, як світ, доступний чуттям уявних фізиків на крижаному кристалі на тому віконному склі холодного зимового ранку, був би зовсім іншим, якби цей кристал зорієнтувався в іншому напрямку, і риси нашого світу, які уможливлюють наше існування, критично залежать від природи цього конденсату Хіггса. Відповідно, те, що може здатися надзвичайною особливістю характеристик частинок і полів, з яких складається світ, у якому ми живемо, насправді не більш особливе, сплановане чи значуще за випадкову орієнтацію гребеня того крижаного кристала, хай би яким особливим значенням не наділяли його істоти, які живуть на тому кристалі.

І ще один, останній шматочок поезії. Унікальна янг-міллзівська модель, до якої 1967 року прийшов Вайнберґ і на яку рік по тому натрапив Абдус Салам, була точно тією самою моделлю, яку шістьма роками раніше запропонував давній шкільний товариш Вайнберґа Шелдон Ґлешоу у відповідь на кинутий Швінґером виклик виявити симетрію, яка могла б об’єднати слабку й електромагнітну взаємодії. Жоден інший вибір не зміг би математично відтворити те, що ми нині спостерігаємо у світі. Упродовж цих шести років модель Ґлешоу переважно ігнорували, оскільки на той час не було відомо жодного механізму, який надав би маси слабким бозонам. Але тепер цей механізм, механізм Хіггса, з’явився.

Вайнберґ та Ґлешоу, чиї життєві шляхи перепліталися із самого дитинства, пізніше разом із Саламом отримають Нобелівську премію за абсолютно незалежні відкриття найвидатнішого об’єднання у фізичній теорії відтоді, як Максвелл об’єднав електрику й магнетизм, а Ейнштейн – простір і час.

Розділ 18
Імла розсіюється

…та по цілій землі пішов відголос їхній, і до краю вселенної їхні слова!

Псалми 18:5

Можна було б очікувати, що появу статті Вайнберґа фізики з усіх куточків світу зустрінуть вечірками з феєрверками. Проте впродовж трьох років після публікації теорії Вайнберґа жоден фізик, навіть сам Вайнберґ, не знайшов приводу послатися на цю статтю, яка нині є однією з найбільш цитованих праць в усій фізиці елементарних частинок. Якщо й було зроблене видатне відкриття властивостей природи, цього ніхто не помітив.

Зрештою, максвеллівське об’єднання зробило чудове передбачення, що світло є електромагнітною хвилею, швидкість якої можна обрахувати неемпірично, і – вуаля! – передбачена швидкість світла збіглася з виміряною експериментально. Ейнштейнове об’єднання простору й часу передбачило вповільнення годинників для рухомих спостерігачів, і – вуаля! – вони дійсно сповільнюються саме так, як було передбачено. 1967 року об’єднання слабкої й електромагнітної взаємодій Ґлешоу – Вайнберґа – Салама передбачило існування трьох нових векторних бозонів, майже в сотню разів важчих за будь-які зафіксовані на той момент частинки. Вона також передбачила нові взаємодії між електронами, нейтрино й матерією, зумовлені свіжопередбаченою Z-частинкою, яку мало того, що ніхто ще ніколи не бачив, так ще й із деяких експериментів випливало, що вона не існує. Вона також вимагала існування нового й ще не виявленого масивного фундаментального скалярного бозона, частинки Хіггса, тоді як жодних фундаментальних скалярних частинок досі в природі не траплялося. І, нарешті, ніхто не знав, чи має вона сенс як квантова теорія.

Тож хіба варто дивуватися,