Лоуренс Краусс - Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй

Первой из них была статья Абрахама Клейна и Бена Ли; последний до своей гибели в автокатастрофе по дороге на физический семинар был одной из самых ярких восходящих звезд в мировой физике элементарных частиц. Авторы предложили способ обойти теорему Голдстоуна и избавиться от безмассовых частиц в квантовых теориях поля, которых в реальности не наблюдалось.

Затем молодой физик из Гарварда Уолтер Гилберт, вскоре после этого решивший сменить царивший в физике элементарных частиц хаос на зеленые пастбища молекулярной биологии, – где в конечном итоге он тоже заработал Нобелевскую премию, но уже за участие в разработке технологии секвенирования ДНК, – написал статью, в которой показал, что предложенное Клейном и Ли решение порождает конфликт с теорией относительности и потому вызывает большие сомнения.

Как мы уже видели, калибровочные теории имеют интересное свойство: вы можете произвольно менять определение положительного и отрицательного заряда в каждой точке пространства, не меняя при этом никаких наблюдаемых физических свойств системы, если только позволяете электромагнитному полю поддерживать необходимые взаимодействия и меняться так, чтобы надлежащим образом компенсировать эти локальные вариации. В результате вы можете проводить математические вычисления в любой калибровке, то есть с использованием любых конкретных локальных определений зарядов и полей, совместимых с симметрией. Любое симметричное преобразование будет переводить вас из одной калибровки в другую.

Несмотря на то что теория, возможно, будет выглядеть в этих разных калибровках очень по-разному, симметричность теории гарантирует, что расчеты любой физически измеримой величины не зависят от выбора калибровки, то есть видимые различия иллюзорны и не отражают лежащей в основе физики, которая определяет измеряемые величины всех физически наблюдаемых параметров. Поэтому можно выбирать, в какой калибровке вычисления окажутся проще, с уверенностью, что при расчетах в любой другой калибровке предсказания для физически наблюдаемых величин получатся те же.

Познакомившись со статьями Швингера, Хиггс понял, что при некоторых выбранных калибровках может возникнуть тот же самый конфликт, на который указывал Гилберт в отношении гипотезы Клейна и Ли. Но этот видимый конфликт возникал лишь вследствие выбора калибровки, в других же калибровках он исчезал. А значит, он не отражал никакого реального конфликта с теорией относительности там, где речь шла о проверяемых физических предсказаниях. Может быть, в какой-нибудь калибровочной теории сделанное Клейном и Ли предложение по избавлению от частиц с нулевой массой, связанных со спонтанным нарушением симметрии, все же сработает.

Хиггс заключил, что спонтанное нарушение симметрии в условиях квантовой теории поля, предусматривающей калибровочную симметрию, возможно в обход теоремы Голдстоуна с приданием массы векторным бозонам, переносящим сильное взаимодействие без всяких лишних безмассовых частиц. Это соответствовало соображениям Андерсона по электромагнетизму в сверхпроводниках в нерелятивистском случае. Иными словами, вполне возможно, что сильное взаимодействие имеет короткий радиус действия из-за спонтанного нарушения симметрии.

Хиггс потратил пару выходных, чтобы построить модель, в которой электромагнетизм добавлялся к модели, которой пользовался Голдстоун при исследовании спонтанного нарушения симметрии. Хиггс обнаружил ровно то, что ожидал: безмассовая в ином случае мода, которую предсказывала теорема Голдстоуна, стала вместо этого дополнительной поляризационной степенью свободы фотона, который теперь обладал массой. Иными словами, нерелятивистские рассуждения Андерсона о сверхпроводниках действительно приводили к релятивистским квантовым полям. Вселенная, в конечном итоге, могла вести себя как сверхпроводник .

Когда Хиггс расписал свои выводы и представил статью в европейский журнал Physics Letters , в ответ он весьма оперативно получил отказ. Рецензент просто не считал, что содержание статьи имеет отношение к физике элементарных частиц. Поэтому Хиггс добавил несколько абзацев с замечаниями о возможных наблюдаемых следствиях из своей идеи и представил статью в американский журнал Physical Review Letters . В частности, он добавил фразу: «Стоит отметить, что важной особенностью теории данного типа является предсказание неполных мультиплетов скалярных и векторных бозонов».