Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке - [9]

Между тем равенство масс нейтрона и протона говорило о том, что между этими частицами существует некоторая симметрия[22]. Эта симметрия была установлена Грегори Брейтом и Юджином Финбергом в 1936 г., после того как в том же году Мерл Тьюв с коллегами экспериментально измерили силу протон-протонного взаимодействия и обнаружили, что она равна уже известной к тому времени силе нейтрон-протонного взаимодействия. Найденная симметрия получила название изоспиновой; математикам она известна как SU(2)[23].

Физика частиц возобновила свое развитие после окончания Второй мировой войны. (Здесь я, пожалуй, закончу перечислять имена физиков, работавших в этой области, поскольку это заняло бы слишком много времени, а кроме того, я боюсь пропустить имя кого-нибудь из ныне живущих.) В конце 1940-х гг. старая проблема бесконечностей в квантовой электродинамике была решена с помощью теории перенормировки[24]. Мезон Юкавы, который мы теперь называем пионом, был обнаружен, и были определены свойства частицы, отличающие ее от открытого в 1937 г. мюона, который можно уподобить тяжелому электрону. Частицы, обладающие новым приближенно сохраняющимся квантовым числом — странностью, — были открыты в 1947 г.[25] Все эти новые частицы были обнаружены в космических лучах, но уже в 1950-х гг. на смену космическим лучам как инструменту для поиска новых частиц пришли ускорители. Ускорители становились все масштабнее и мощнее — они уже не помещались в подвалах университетских физических лабораторий и становились огромными объектами, видимыми из космоса.

Выдающийся успех квантовой электродинамики подарил надежду на создание квантовой теории поля, охватывающей все элементарные частицы и их взаимодействия, однако в этом направлении возникли серьезные препятствия. Для начала отметим, что такая теория требует выбрать элементарные частицы, описания полей которых появятся в уравнениях. Однако после открытия столь большого количества новых частиц уже стало невозможно всерьез относится к выбору небольшой группы частиц в качестве элементарных. Кроме того, можно было легко представить любое число теорий сильных взаимодействий в квантовых полях, но что с ними делать? Сильные взаимодействия оказались слишком сильными и не допускали приблизительных расчетов. Одна из теоретических школ и вовсе пришла к отказу от квантовой теории поля, по крайней мере в отношении сильных взаимодействий, и в дальнейшем полагалась исключительно на общие свойства процессов рассеяния.

Другая проблема: что нам делать с приближенными симметриями, вроде изоспиновой, или еще более загадочным спонтанным нарушением симметрии, описывающим свойства низкоэнергетических пионов, или еще более грубой симметрией, которая устанавливает связь между обычными и странными частицами?[26] Оказалось, что даже инвариантность относительно пространственного отражения (так называемая Р-симметрия, или зеркальная симметрия), обращения времени (Т-симметрия) и замена частицы на соответствующую античастицу (С-симметрия, или зарядовое сопряжение) оказалась приближенной. Если симметрии — выражение гармонии природы, то являются ли приближенные симметрии выражением приближенной гармонии природы?

Для слабых взаимодействий у нас имеется квантовая теория поля, которая хорошо согласуется с экспериментом, — теория бета-распада Ферми, появившаяся в 1933 г. Однако при обобщении этой теории за пределы нижнего порядка аппроксимации она привела к появлению бесконечностей, которые, очевидно, нельзя устранить с помощью перенормировки.

Все эти препятствия были преодолены в 1960–1970-х гг. благодаря развитию новой квантово-полевой теории элементарных частиц — Стандартной модели. Она построена на точных локальных симметриях, часть которых подвержена спонтанному нарушению, а другие — нет[27]. БАК, несомненно, позволит нам раскрыть механизм, приводящий к спонтанному нарушению локальной симметрии слабого и электромагнитного взаимодействий. Существует очевидный набор элементарных частиц, поля которых включены в Стандартную модель, — это кварки (из которых состоят протоны, нейтроны и другие сильно взаимодействующие частицы), лептоны (электроны, нейтрино и другие слабо взаимодействующие частицы) и бозоны, возникающие как проявления локальных симметрий (фотоны, переносящие сильное взаимодействие глюоны и переносящие слабое взаимодействие при бета-распаде W- и Z-бозоны). Нам все еще крайне сложно выполнять точные расчеты для сильно взаимодействующих частиц, например протонов и нейтронов, состоящих из кварков, но ослабление сильного взаимодействия при высоких энергиях позволяет произвести достаточный объем вычислений, чтобы убедиться в правильности теории.

Простота Стандартной модели обеспечивается условием перенормировки — в уравнениях допускаются только такие комбинации полей и их производных, размерность которых (в системе единиц, в которой постоянная Планка и скорость света равны единице) не превышает четвертой степени массы[28]. Это условие необходимо для того, чтобы все бесконечности, возникающие в теории возмущений, можно было устранить переопределением конечного набора констант в уравнениях.