Лоуренс Краусс - Таємниці походження всесвіту

Шотландським літнім школам притаманна власна поезія. Вони почергово проводяться в різних місцях і періодично повертаються до чудового узбережного міста Сент-Ендрюс, розташованого якраз поруч зі славетним Старим полем, де народився гольф. 1980 року в рамках школи, яка проходила в Сент-Ендрюсі, читали лекції свіжоспечений нобелівський лауреат Ґлешоу та знаменитий колишній учень Велтмана Герард ‘т Гофт, і я мав честь відвідувати їх як докторант.

Я прибув пізно, і мені 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.