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

Первым большим успехом квантовой электродинамики стало верное предсказание спектра водорода, а со временем и других атомов. Но если электроны ощущают и слабое взаимодействие, то это даст небольшую добавочную силу между электронами и ядрами, которая должна изменить – хотя и очень слабо – характеристики их атомных орбит. Как правило, эту разницу заметить невозможно, поскольку слабые эффекты тонут в электромагнитных. Но слабое взаимодействие нарушает четность, так что те самые поправки к электромагнитному взаимодействию от слабых нейтральных токов, которые исследовали при помощи поляризованных электронных пучков, могут дать в атомах новые эффекты, которых не было бы, если бы действовал один только электромагнетизм.

В частности, для тяжелых атомов теория Вайнберга – Салама предсказывала, что если сквозь газ из атомов пропустить поляризованный свет, то направление поляризации света повернется примерно на одну миллионную долю градуса из-за нарушающего четность действия нейтральных токов в атомах, сквозь которые прошел свет.

В 1977 г. статьи с результатами двух независимых экспериментов в области атомной физики, проведенных в Сиэтле и в Оксфорде, были опубликованы подряд в журнале Physical Review Letters . Результаты были удручающие. Никакого оптического поворота не удалось увидеть на масштабе, вдесятеро меньшем, чем тот, что предсказывала теория электрослабого взаимодействия. Если бы только один эксперимент дал такой результат, он, скорее всего, показался бы сомнительным. Но одинаковый результат двух независимых экспериментов на разном оборудовании выглядел очень убедительно. Казалось, теория опровергнута.

Тем не менее проект SLAC, начавшийся тремя годами ранее, шел полным ходом, и, поскольку подготовка к эксперименту уже началась, его проведение было утверждено и первые данные ожидались в начале 1978 г. Нулевой результат предыдущих опытов побудил стэнфордских ученых добавить в свой эксперимент несколько дополнительных «звоночков», чтобы в том случае, если никакого эффекта не обнаружится, была бы гарантия, что они могли бы его заметить, если бы он был.

Уже через два месяца после старта эксперимент начал демонстрировать явные признаки нарушения четности, и к июню 1978 г. ученые объявили ненулевые результаты его работы, согласующиеся с предсказаниями модели Глэшоу – Вайнберга – Салама, основанной на измеренном рассеянии нейтрино нейтральными токами, что позволило, в свою очередь, измерить силу Z-взаимодействия.

Тем не менее вопросы оставались, особенно с учетом явного расхождения этих результатов с результатами Сиэтла и Оксфорда. В Калтехе на одном из семинаров по этому вопросу Ричард Фейнман в очень типичной для него манере сразу обратил внимание на ключевой экспериментальный вопрос и поинтересовался, проверяли ли экспериментаторы на SLAC, одинаково ли хорошо детектор отзывается на левые и правые электроны. Оказалось, что не проверяли, но теоретические соображения и не давали им оснований считать, что детекторы могут по-разному вести себя при пучках электронов с разной поляризацией. (Как известно, восемь лет спустя Фейнман сумеет разобраться и в другой сложной проблеме, связанной с трагическим взрывом «Челленджера»; тогда он просто продемонстрировал разрушение уплотнительного кольца и комиссии по расследованию, и публике, наблюдавшей за происходящим по телевизору.)

До осени авторы эксперимента SLAC постарались исключить и этот, и другие поводы для беспокойства и осенью объявили окончательный результат, соответствующий предсказанию Глэшоу – Вайнберга – Салама с погрешностью менее 10 %. Электрослабое объединение получило подтверждение!

Я по сей день не знаю, есть ли у кого-нибудь хорошее объяснение, почему первоначальные результаты у атомных физиков оказались ошибочными (позже те же эксперименты давали результаты, соответствующие теории Глэшоу – Вайнберга – Салама); можно лишь сказать, что физические эксперименты и теоретическая интерпретация результатов этих экспериментов – дело сложное.

Как бы то ни было, всего год спустя, в октябре 1979 г., Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг были удостоены Нобелевской премии за теорию электрослабого взаимодействия, получившую теперь экспериментальное подтверждение и объединившую две из четырех сил природы, на основе одной фундаментальной симметрии – калибровочной инвариантности. Если бы калибровочная симметрия не нарушалась скрытым от глаз образом, слабое и электромагнитное взаимодействия выглядели бы совершенно одинаково. Но тогда все частицы, из которых мы состоим, не имели бы массы и нас бы здесь не было, чтобы это заметить…