В КЭД изменения фазы волновой функции электрона в пространстве и времени компенсируются соответствующими изменениями в электромагнитном поле. Поле "отталкивает" таким образом, что фазовая симметрия сохраняется. Но новая квантовая теория поля для сильного взаимодействия должна была учитывать то, что теперь в нем участвуют две частицы. Если изоспиновая симметрия сохраняется, это значит, что сильное взаимодействие не видит разницы между протоном и нейтроном. Следовательно, изменение изоспиновой симметрии за счет, например, "поворота" нейтрона и превращения его в протон требует поля, которое "отталкивает" и таким образом восстанавливает симметрию. Поэтому Янг и Миллс ввели новое поле, которое назвали полем B, предназначенное именно для этой цели.
Простая группа симметрии U(1) недостаточна для такого рода сложности, и Янг и Миллс обратились к группе симметрии SU(2), особой унитарной группе преобразований с двумя комплексными переменными. Более крупная группа потребовалась потому, что нужно учитывать два объекта, которые могут преобразовываться друг в друга.
Кроме того, теория нуждалась в трех новых частицах поля, отвечающих за перенос сильного взаимодействия между протонами и нейтронами внутри ядра, аналогичных фотону в КЭД. Две из трех были нужны, чтобы переносить электрический заряд и отвечать за изменение заряда, происходящее во время протон-нейтронных и нейтрон-протонных взаимодействий. Янг и Миллс назвали эти частицы B+ и B . Третья частица была нейтральной, как протон, и должна была отвечать за протон-протонные и нейтрон-нейтронные взаимодействия, в которых заряд не изменялся. Ее назвали B . Они обнаружили, что эти частицы поля взаимодействуют не только с протонами и нейтронами, но также и друг с другом.
К концу лета они выработали решение. Но это было решение с целым набором новых задач.
Во-первых, методы перенормировки, столь успешно использованные в КЭД, были неприменимы к теории поля, которую изобрели Янг и Миллс. Хуже того, член нулевого порядка в разложении возмущения указывал, что частицы поля должны быть безмассовыми, как фотон. Но в этом содержалось внутреннее противоречие. Гейзенберг и японский физик Хидэки Юкава еще в 1935 году предположили, что частицы короткодействующих сил, таких как сильное взаимодействие, должны быть "тяжелыми", то есть это должны быть большие, массивные частицы. Безмассовые частицы поля для сильного взаимодействия не имели никакого смысла.
Янг вернулся в Принстон. 23 февраля 1954 года он провел семинар по проделанной вместе с Миллсом работе. Среди слушателей был Оппенгеймер, а также и Паули, которые перебрались в Принстонский университет в 1940 году.
Оказалось, что Паули раньше уже рассуждал подобным же образом и пришел к таким же противоречивым умозаключениям касательно массы частиц поля. Впоследствии он отказался от этого подхода. Когда Янг записывал на доске свои уравнения, Паули подал голос.
– Какова масса этого поля B? – громко спросил он, предвосхищая ответ.
– Я не знаю, – несколько неуверенно ответил Янг.
– Какова масса этого поля B? – настойчиво повторил Паули.
– Мы думали над этим вопросом, – сказал Янг. – Он очень сложный, и пока мы не можем на него ответить.
– Это слабое оправдание, – проворчал Паули .
Растерянный Янг сел, и все почувствовали себя очень неловко.
– По-моему, надо дать Фрэнку продолжить, – сказал Оппенгеймер.
Янг продолжил лекцию. Паули больше не задавал вопросов, но был раздражен. На следующий день он оставил Янгу записку: "Сожалею, что вы почти исключили для меня возможность разговаривать с вами после семинара" .
Эта проблема просто никак не решалась. Без массы частица янг-миллсовской теории поля не укладывалась в физические предсказания. Если частицы безмассовые, как предсказывала теория, они должны быть такими же вездесущими, как фотоны, однако таких частиц никто никогда не наблюдал. Обычные методы перенормировки не работали.
И все же это была хорошая теория.
"Идея была красивая , и ее следовало опубликовать, – писал Янг. – Но какова масса калибровочной частицы?
У нас не было никаких уверенных выводов, одно только раздражение из-за того, что [этот] случай оказался гораздо более запутанным, чем электромагнетизм. Исходя из физики, мы склонялись к мнению, что заряженные калибровочные частицы не могут быть безмассовыми" .
Янг и Миллс опубликовали доклад с описанием своих результатов в октябре 1954 года. В нем они писали: "Здесь мы подходим к вопросу массы кванта [B], на который у нас нет удовлетворительного ответа" .
Пойти дальше они не смогли и занялись другими вопросами.
3
В этом никто ничего не поймет
Глава, в которой Марри Гелл-Манн открывает странность и Восьмеричный путь, Шелдон Глэшоу применяет теорию Янга – Миллса к слабому ядерному взаимодействию, и в этом никто ничего не понимает
Янг и Миллс пытались применить квантовую теорию поля к проблеме сильных взаимодействий в надежде повторить успех КЭД. Но оказалось, что теорию нельзя перенормировать и в итоге получаются безмассовые частицы, хотя они должны иметь массу. Очевидно, теория не могла быть решением для сильного взаимодействия.
А как насчет слабого ядерного взаимодействия?
Слабое взаимодействие представляло собой некую тайну. В начале 1930-х годов итальянскому физику Энрико Ферми пришлось прибегнуть к новому типу ядерного взаимодействия в детальной теории бета-радиоактивности. Он изложил свою теорию коллегам, с которыми проводил лыжный отпуск в Итальянских Альпах в Рождество 1933 года. Его коллега Эмилио Сегре впоследствии рассказал, как это было: "…Мы все сидели на одной кровати в гостиничном номере, и мне никак не сиделось, потому что я насажал синяков, пока падал на ледяной наст. Ферми полностью осознавал, насколько важно его открытие, и сказал, что, по его мнению, его запомнят по этой работе, лучшей до тех пор" .
Ферми провел параллель между слабым взаимодействием и электромагнитным. В итоге получилась теория, похожая на теорию электромагнетизма, и он смог вывести диапазон энергий (и, следовательно, скоростей) испускаемых бета-электронов. В 1949 году в Колумбийском университете американский физик китайского происхождения Ву Цзяньсюн провел эксперименты, показавшие, что предсказания Ферми верны. С некоторыми небольшими поправками теория Ферми остается верной и по сей день.
Ферми пришел к выводу, что взаимодействие между частицами, участвующими в бета-распаде, примерно в 10 миллиардов раз слабее электромагнитных взаимодействий между заряженными частицами. Оно действительно слабое, но все же имеет некоторые далекоидущие следствия. Из-за слабого взаимодействия нейтроны внутренне нестабильны. Нейтрон, движущийся в свободном пространстве, распадается всего через 18 минут. Это необычное поведение для частицы, считающейся фундаментальной или элементарной .
Конечно, прибегать к неизвестной силе природы, чтобы объяснить тип взаимодействия, – это было слишком. Но когда экспериментаторы стали внимательно просматривать "зоопарк" новых элементарных частиц, которые стали обнаруживаться среди обломков высокоэнергетических столкновений, появились свидетельства существования других видов частиц, восприимчивых к слабому взаимодействию.
В 1930-х ученому, который хотел изучать столкновения высокоэнергетических частиц, нужно было забраться на гору. Космические лучи – потоки частиц высоких энергий, приходящих из космоса, – непрерывно заливают верхние слои атмосферы. Некоторые частицы ультравысокой энергии, из которых состоят лучи, могут проникать в нижние слоя атмосферы до уровня горных вершин, где можно изучать их столкновения. Такие исследования зависят от случайного обнаружения частиц, и потому любые два события всегда имеют неодинаковые условия.
Американский физик Карл Андерсон открыл позитрон Дирака в 1932 году. Четыре года спустя он и его соотечественник Сет Неддермейер погрузили свой детектор элементарных частиц на грузовик и отправились на вершину Пайкс-Пик в Скалистых горах, примерно в 10 милях на запад от Колорадо-Спрингс . В следах космических лучей физики обнаружили еще одну новую частицу. Эта частица вела себя, как электрон, но оказалось, что магнитное поле отклоняет ее гораздо меньше.
Частица отклонялась медленнее, чем электрон, и резче, чем протон на аналогичной скорости (в противоположном направлении). Физикам не осталось ничего иного, кроме как заключить, что это новый "тяжелый" электрон с массой примерно в 200 раз больше обычного электрона. Это не мог быть протон, так как масса протона примерно в 2 тысячи раз больше массы электрона .
Новую частицу сначала назвали мезотроном, а позднее сократили до мезона. Это было неприятное открытие. Тяжелый вариант электрона? Он не укладывался ни в одну теорию или представление о том, как должны быть организованы фундаментальные частицы природы.
В возмущении американский физик галицийского происхождения Исидор Раби хотел знать: "Кто это при казал?" Уиллис Лэмб в своей Нобелевской лекции 1955 года отозвался в таком же раздраженном духе, сказав: "…Раньше тот, кто находил новую элементарную частицу, получал в награду Нобелевскую премию, но теперь такие открытия должны наказываться штрафом в 10 тысяч долларов" .
В 1947 году на вершине Миди-де-Бигор в Французских Пиренеях физик Бристольского университета Сесил Пауэлл со своей командой обнаружил в космических лучах еще одну новую частицу. Новая частица имела чуть большую массу, чем мезон, и была в 273 раза массивнее электрона. Она наблюдалась в положительно и отрицательно заряженных вариантах, а позднее и в нейтральных.
У физиков стали заканчиваться названия. Мезон переименовали в мю-мезон, впоследствии сокращенный до мюон . Новую частицу назвали пи-мезон (пион). С усовершенствованием техники обнаружения частиц в космических лучах разверзлись хляби небесные. За пионом тут же последовали положительный и отрицательный K-мезон (каон) и нейтральная лямбда-частица. Новые названия посыпались как из рога изобилия. Отвечая на вопрос одного молодого физика, Ферми заметил: "Молодой человек, если бы я был в состоянии запомнить названия всех частиц, я пошел бы в ботаники" .
Каоны и лямбда-частицы вели себя довольно странно. Они встречались во множестве, что было признаком сильного взаимодействия. Они часто возникали парами, которые образовывали характерные V-образные следы. Затем они продолжали путь и распадались. Их распад занимал гораздо больше времени, чем возникновение, и это позволяло предположить, что, хотя частицы возникают благодаря сильному взаимодействию, их формами распада управляет гораздо более слабое взаимодействие, такое же, по сути дела, которое управляет радиоактивным бета-распадом.
Изоспин не мог объяснить странное поведение каонов и лямбд. Казалось, будто эти новые частицы обладают каким-то дополнительным, до тех пор неизвестным свойством.
Американский физик Марри Гелл-Манн терялся в догадках. Он понял, что может объяснить поведение новых частиц при помощи изоспина, если принять, что изоспины по какой-то причине "сдвигаются" на единицу. Это не имело никакого смысла с точки зрения физики, поэтому, чтобы объяснить сдвиг, он предложил новое свойство, которое впоследствии назвали странностью . Позднее он обессмертил термин цитатой из Фрэнсиса Бэкона: "Не бы вает великой красоты без некоторой странности в пропорциях" .
Что бы это ни было, утверждал Гелл-Манн, странность, подобно изоспину, сохраняется в сильном взаимодействии. В сильном взаимодействии с участием обычных (то есть не странных) частиц возникновение странной частицы с странностью +1 должно сопровождаться еще одной странной частицей со странностью –1, так чтобы общая странность сохранялась. Вот почему частицы обычно встречались парами.
Сохранение странности также объясняло, почему странные частицы так долго распадались. Сразу после возникновения преобразование каждой странной частицы назад в обычную было невозможно через быстро действующее сильное взаимодействие, так как это потребовало бы изменения странности (с +1 или –1 до 0). Поэтому странные частицы не распадались довольно долго, так как на них действовало слабое взаимодействие, которое не соблюдает сохранение странности.
И никто не знал почему.
В своей эпохальной работе о бета-радиоактивности Ферми провел аналогию между слабым взаимодействием и электромагнетизмом. Он сделал примерный подсчет относительных сил, которые участвуют во взаимодействиях, использовав массу электрона в качестве критерия. В 1941 году Джулиан Швингер задумался, каковы были бы последствия, если бы Ферми допустил, что слабое взаимодействие переносит гораздо, гораздо более крупная частица. Швингер подсчитал, что если бы эта частица была в несколько сот раз массивнее протона, то слабое взаимодействие и электромагнитное взаимодействие фактически могли быть одинаковыми. Это была первая подсказка, что слабое и электромагнитное взаимодействия удастся объединить в одно электрослабое.
Янг и Миллс обнаружили, что для того, чтобы учесть все способы взаимодействий нейтронов и протонов в ядре, им нужно три разных вида силовых частиц. В 1957 году Швингер пришел к выводу относительно слабых взаимодействий. Он опубликовал статью, в которой размышлял о том, что слабое взаимодействие переносят три частицы поля. Две из них W+ W (как они называются сейчас) нужны, чтобы объяснить передачу электрического заряда в слабых взаимодействиях. Третья, нейтральная, частица нужна, чтобы объяснить случаи, когда заряд не передавался. Швингер полагал, что этой третьей частицей был фотон.