Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы - Марк Перельман

А для качественного анализа иногда бывает достаточно просто нарисовать и сравнить графики различных процессов — сейчас очень трудно понять, как физики могли существовать и работать до изобретения этих графиков! (Внешне простые, но очень наглядные, графики теперь широко используются не только в КЭД, но и во многих других областях физики.) Фейнману на их основе удалось объяснить «лэмбовский сдвиг», магнитный момент электрона и другие свойства частиц.[56]

В КЭД, в основном в работах Швингера и Фейнмана, становится понятной и проблема вакуума. В классической физике вакуум рассматривается как пустота (точный перевод с латыни), но в квантовой теории это уже не так: в любой точке в любой момент времени, согласно принципу неопределенности, могут возникнуть вакуумные флуктуации (от латинского «флуктуацио» — колыхания, колебания) — родиться пары электрон-позитрон, нуклон-антинуклон и т. п., необходимо лишь, чтобы длительность их виртуального существования не превышала величины постоянной Планка, деленной на их полную энергию.

Но за это время, сколь бы коротким оно ни было, они могут провзаимодействовать, скажем, с электроном: виртуальный позитрон к нему притянется, электрон — оттолкнется, т. е. вакуум поляризуется, а следовательно, изменится взаимодействие нашего вполне реального электрона с другими частицами. Более того, притянувшийся позитрон может аннигилировать с первоначальным электроном, возникнет гамма-квант, который будет поглощен электроном той пары, но уже находящимся на некотором расстоянии от первоначального, и тот электрон из виртуального превратится в реальный — получится, что электрон как бы скакнул, кстати, со скоростью света, на некоторое расстояние (такой эффект, математически ранее известный, называется «дрожанием Шредингера»).

Квантовая электродинамика, развитая Фейнманом, Швингером и Томонагой, является наиболее точной из известных ныне физических теорий. Правильность ее подтверждена экспериментально в широком диапазоне масштабов — от субатомных до астрономических. Поэтому Фейнману, Швингеру и Томонаге была присуждена Нобелевская премия по физике 1965 г. «за фундаментальные работы по квантовой электродинамике, имевшие глубокие последствия для физики элементарных частиц»[57]. В речи на церемонии вручения премии Ивар Валлер из Шведской королевской академии наук отметил, что лауреаты привнесли новые идеи и методы в старую теорию и создали новую, занимающую ныне центральное положение в физике. Она не только объясняет прежние расхождения между теорией и экспериментом, но и позволяет глубже понять поведение мю-мезона и других частиц в ядерной физике, проблемы твердого тела и статистической механики.

КЭД продолжает развиваться как в направлении уточнения общей теории, так и в многочисленных приложениях к другим областям физики.

Слабое взаимодействие, которое обуславливает распад частиц, гораздо слабее электромагнитного, но много сильнее гравитационного взаимодействия между частицами. Если сравнивать между собой скорости процессов при одинаковой характерной энергии частиц в 1 ГэВ (миллиард электронвольт), то электромагнитные процессы протекают в тысячу раз медленнее сильных, а слабые — примерно в сто миллиардов раз медленнее электромагнитных. Если сильное взаимодействие между частицами происходит на расстояниях порядка размеров ядра или несколько больших, то слабое взаимодействие заметно лишь на много меньших расстояниях.

И тем не менее без слабого взаимодействия невозможны термоядерные процессы в недрах звезд, радиоактивные распады и т. д. А важнейшая его особенность в том, что вероятность слабых процессов быстро нарастает с ростом энергии — на расстояниях в сто миллионов раз меньших размеров ядра его интенсивность уже сравнивается с интенсивностью электромагнитных процессов, а дальше начинает их превосходить.

Первую теорию бета-распада, как мы говорили, построил Э. Ферми еще в 1934 г. По этой теории нейтрон превращался одномоментно в протон, электрон и антинейтрино, причем имелось пять вариантов этой теории, и долго казалось, что разные эксперименты говорят, для разных случаев, в пользу разных теорий — поэтому очень долго проводились расчеты всех вариантов и все они проверялись. После открытия несохранения четности число возможных вариантов, по крайней мере, удвоилось, и теория стала казаться необозримой.

Только к 1957 г. М. Гелл-Манн и Р. Фейнман, а также Р. Маршак (1916–1996) и Э. Сударшан (р. 1931) независимо установили, уже с учетом несохранения четности, правильный вариант этой четырехфермионной теории слабого взаимодействия — оказалось, что оно, как и КЭД, носит векторный характер. Но на этом сходство с КЭД кончалось. Графики Фейнмана для таких процессов выглядели как-то неэстетично: в КЭД все ясно — заряженная частица испускает или поглощает фотон, т. е. все взаимодействия сводятся к тому, что выражение для тока этой частицы умножается на потенциал электрического поля. А тут, видите ли, в одной точке встречаются сразу четыре линии!

Поэтому, по аналогии, могла возникнуть такая мысль: попробуем ввести новый тип тока, который может изменять заряд частиц, скажем, барионный ток, превращающий в момент взаимодействия протон в нейтрон, но испускающий при этом не фотон с нулевым зарядом, а какую-то заряженную частицу (без изменения барионного или лептонного заряда). Если при этом ввести аналогичный лептонный ток, превращающий при поглощении этой промежуточной частицы электрон в нейтрино или позитрон в антинейтрино (можно, конечно, и наоборот), то удалось бы построить график Фейнмана для бета-распада таким же образом, как в КЭД. Но только при этом, вместо обмена фотоном, шел бы обмен между двумя токами этим самым промежуточным мезоном (его спин должен обязательно быть целым, т. е. он должен быть бозоном).

В 1960 г. Шелдон Глэшоу попытался объединить именно на такой основе электромагнетизм и слабое взаимодействие. Его подход предсказывал существование четырех частиц — переносчиков взаимодействий. Одна из них, очевидно, должна быть фотоном, переносящим электромагнитное взаимодействие. Остальные три частицы, которые он обозначил как W+, W- и Z0, должны быть безмассовыми переносчиками слабого взаимодействия.

Теория эта страдала явными недостатками. Во-первых, частица, имеющая электрический заряд, не может не иметь массу — она ведь может виртуально испускать-поглощать фотоны, а следовательно, должна обладать какой-то инерцией. Во-вторых, радиус электромагнитных взаимодействий бесконечен, и связано это с тем, что масса фотона равна нулю. А вот у слабых взаимодействий радиус действия очень мал, поэтому масса промежуточных мезонов должна быть очень велика — тогда, согласно принципу неопределенностей, они возникают лишь на короткое время, и в следующем варианте теории Глэшоу постулировал большие массы бозонов и W+, W- и Z0, но и при этом из теории следовало, что некоторые слабые взаимодействия должны осуществляться и с бесконечной силой.

Множество исследований в этом направлении оставалось безрезультатным, пока в 1967 г. к этой работе не подключился Стивен Вайнберг[58], одноклассник и друг Глэшоу (они оба ученики Швингера), сумевший преодолеть громадные математические трудности. Прямое постулирование массы частиц невозможно — в такой теории не удается избежать бесконечностей вроде тех, что были ранее преодолены в КЭД. И Вайнберг предлагает использовать в этой теории механизм спонтанного нарушения симметрии: так называемый механизм Хиггса (о нем чуть ниже).

Решение, которое построил Вейнберг, показывает, через механизм Хиггса, что фотон по-прежнему остается безмассовым, а остальные три частицы приобретают массу. (Такую же теорию независимо от них и с аналогичной процедурой перенормировки построил гораздо более опытный А. Салам.) В этой теории электромагнитные и слабые взаимодействия уравниваются по силе при крайне высоких энергиях. Однако, массы W- и Z-бозонов слабо влияют на процесс, поскольку обмен ими в пределе высоких энергий в точности таков же, как и обмен фотонами, а силы слабого взаимодействия столь же сильны, как и электромагнитные. Но при более низких энергиях частицы W- и Z образуются редко, так что слабые взаимодействия проявляются на меньших расстояниях, чем электромагнитные. (Отметим, что температуры и энергии земной физики, очевидно, таковы, что разница между этими двумя силами проявляется больше, чем их сходство.)

Важнейшее отличие этой теории от всех предшествующих состояло в том, что один из трех промежуточных бозонов должен быть нейтральным, т. е. в ней есть, помимо заряженных, и слабые нейтральные токи. Поэтому возможно, например, за счет этих токов рассеяние нейтрино на электроне без изменения типа частиц.