Мы пересказываем увлекательную историю о том, как был открыт механизм Хиггса, и размышляем, какой эта история останется в памяти

Это случилось в 1940 году, когда немецкие войска только вторглись в Данию. У Нильса Бора, одного из основателей квантовой механики и директора Института теоретической физики в Копенгагене, хранились ценные запрещенные на тот момент предметы, которые ему нужно было любой ценой сохранить в тайне от нацистов – две золотые нобелевские медали. Задача состояла в том, чтобы спрятать их подальше от глаз немецких оккупантов.

Ни одна из этих двух медалей не принадлежала самому Бору, он получил свою Нобелевскую премию в 1922 году, но продал ее с молотка на аукционе и деньги отдал на поддержку финских сил сопротивления. Эти медали получили в свое время немецкие физики Макс фон Лауэ и Джеймс Франк. Они незаконно вывезли свои награды из Германии, чтобы те не попали в руки нацистов (поскольку медали были именными, на них были выгравированы их имена). Бор обратился за советом к своему другу химику Дьёрдю де Хевеши, и тому пришла в голову блестящая идея – растворить медали в кислоте. Золото растворить не просто, поэтому ученые взяли царскую водку – весьма агрессивную смесь азотной и соляной кислот, способную растворять благородные металлы. Опущенные в царскую водку Нобелевские медали в течение нескольких часов постепенно распались на индивидуальные атомы золота, которые остались во взвешенном состоянии в растворе. Если бы в лабораторию вошли солдаты, которым захотелось бы пошарить в шкафах в поисках спрятанных сокровищ, они не нашли бы ничего, кроме пары безобидных колб с химическими растворами, стоящими среди сотен похожих сосудов.

Уловка сработала. После войны ученые смогли восстановить золото путем осаждения атомов из раствора, сделанного де Хевеши. Бор доставил металл обратно в Королевскую академию наук в Стокгольме, и там заново отлили именные Нобелевские медали для фон Лауэ и Франка. Сам де Хевеши, бежавший в Швецию в 1943 году, получил Нобелевскую премию по химии в 1944 году, но не за открытие новых методов укрывания золота, а за «использование изотопов в качестве меченых атомов при изучении химических процессов».

Может быть, не все это знают, но ученые к Нобелевской премии относятся очень серьезно. В конце XIX века химик Альфред Нобель – изобретатель динамита – учредил награды в области физики, химии, физиологии и медицины, литературы, а также премию мира, и все они вручаются каждый год, начиная с 1901 года. (Премию по экономике начали вручать только в 1968 году, и она находится в ведении другой организации.) Нобель скончался в 1896 году, и его душеприказчики с удивлением обнаружили, что он пожертвовал 94 % своего немалого состояния на учреждение премии.

С тех пор Нобелевские премии стали общепризнанной формой высшего научного признания. Признание – не совсем то же самое, что научные «достижения», – Нобелевский комитет руководствуется в своих решениях вполне конкретными критериями, и споры о том, насколько премии соответствуют важности того или иного научного открытия, ведутся постоянно. Изначально Нобель завещал выдавать премию «тем, кто в течение истекшего года принес наибольшую пользу человечеству». В частности, премия по физике предназначалась «человеку, который сделал самое важное «открытие» или «изобретение» в области физики». Часть этих инструкций сейчас не исполняется. Несколько первых премий были выданы за работы, позже оказавшиеся ошибочными, и ныне никто больше не считает, что премию нужно обязательно давать за работу, выполненную в предыдущем году. Важно отметить, что сделать открытие – не то же самое, что быть признанным ведущим мировым ученым. Бывает, открытия совершаются почти случайными людьми, которые позже уходят из этой науки. А некоторые ученые делают фантастически важные работы в течение всей своей жизни, но им так и не удается сделать ни одного конкретного открытия, которое бы дотягивало до уровня Нобелевской премии.

Есть и другие критерии, сильно ограничивающие выбор Нобелевских номинантов. Премии не присуждаются посмертно, хотя, если лауреаты умирают между моментом принятия решения и объявлением этого решения, приз все-таки отдается им. Самое главное ограничение для физиков состоит в том, что премию не могут получить больше трех человек в течение одного года. В отличие, например, от премии мира премия по физике не дается организации или коллаборации – ее могут получить только отдельные ученые, и их не должно быть больше трех. В нынешнюю эпоху Большой Науки это ограничение иногда создает проблемы.

Когда дело доходит до теоретических работ, недостаточно быть умным или даже правым. Вы должны не только быть правым, но ваша теория еще должна подтвердиться в экспериментах. Наиболее важным вкладом Стивена Хокинга в науку является вывод о том, что черные дыры согласно правилам квантовой механики должны излучать потоки частиц. Подавляющее большинство физиков считают, что он прав, но на данный момент это чисто теоретический результат: мы пока не наблюдали никаких испаряющихся черных дыр, и у нас в перспективе нет никаких способов сделать это при современном уровне технологий. Вполне возможно, что Хокинг никогда не получит Нобелевскую премию, несмотря на его невероятно важные результаты.

Людям, не связанным с наукой, иногда может показаться, что весь смысл деятельности ученых в том и заключается, чтобы получить Нобелевскую премию. Это не так. Нобелевская премия отмечает важные вехи в науке, но сами ученые признают, что научный прогресс – это огромный гобелен, который слой за слоем ткут многие ученые на протяжении многих лет. Тем не менее нужно признать, что получение Нобелевской премии – это большое дело, и физики, конечно, внимательно следят за тем, какие открытия смогут когда-нибудь получить эту премию.

Никто не сомневался, что открытие бозона Хиггса является именно такого рода достижением, вполне достойным Нобелевской премии. Несомненно было и то, что в первую очередь премии достойны авторы теории, предсказавшей бозон Хиггса. Конечно, в конце концов имеют значение не премии, а наука как таковая, но в связи с премией у нас появился хороший повод проследить за увлекательной историей идей, лежащих в основе поисков бозона Хиггса, а также за подготовкой к поискам и самими поисками. Цель этой главы – не пересказать историю в деталях и затем вынести суждение о том, кто заслуживает премии, а кто – нет. Как раз наоборот: глядя на то, как долго идеи механизма Хиггса формулировались, читатель поймет, что эта, как и любая другая значимая научная теория, прежде чем приобрести законченный вид, прошла много важных этапов. Попытка провести четкую границу между тремя (или меньшим количеством) учеными, которые заслуживают премии, и многими другими, которые ее не заслуживают, обязательно вносит искажения в реальную картину, хотя и снабжает СМИ сенсационными сюжетами.

В этой главе мы попытаемся изложить правдивую историю, но, поскольку, как известно, дьявол прячется в деталях, такой краткий обзор обязательно будет неполным. По сей причине в этой главе будет несколько больше технических подробностей, чем в других главах книги. Вы вольны не читать их, хотя тогда вы рискуете упустить кусочек увлекательной физики и пару страниц потрясающей человеческой драмы.

 

Сверхпроводимость

В восьмой главе мы исследовали глубинную связь между симметрией и силами природы. Если у нас есть «локальная» или «калибровочная» симметрия, то есть та, которая работает независимо в каждой точке пространства, она обязательно сопровождается связывающим полем, а оно уже порождает силы. Было понятно, что так устроены гравитация и электромагнетизм, а в 1950-х годах Янг и Миллс придумали, как распространить эту идею на другие силы природы. Однако есть проблема, которую так упорно педалировал Вольфганг Паули: симметрии, порождающие определенные взаимодействия, всегда приводят к появлению безмассовых бозонов. В этом, в частности, проявляется власть симметрий: они диктуют строгие ограничения на свойства, которыми могут обладать частицы. Например, симметрия, лежащая в основе электромагнетизма, приводит к строгому сохранению электрического заряда при взаимодействиях.

Но действие сил, переносчиками которых являются безмассовые частицы, должно распространяться, как все считали в то время, на бесконечные расстояния, и их поэтому можно очень легко обнаружить. С гравитацией и электромагнетизмом все так и есть, а вот ядерные силы совершенно иные. Теперь мы поняли, что сильные и слабые взаимодействия – это тоже силы янгмиллсовского типа, просто соответствующие безмассовые частицы по разным причинам спрятаны от нас. В сильных взаимодействиях такие безмассовые частицы – глюоны, но они заперты внутри адронов, а в слабых взаимодействиях безмассовые W– и Z-бозоны становятся массивными из-за спонтанного нарушения симметрии.

Еще в 1949 году американский физик Джулиан Швингер выдвинул идею о том, что силы, порожденные симметрией, всегда будут переноситься безмассовыми частицами, но, продолжив заниматься этой проблемой, он в 1961 году понял, что его аргументы были небезупречны – в них была лазейка, которая позволяла калибровочным бозонам обзавестись массой. Он не был уверен, что это может на самом деле произойти, но написал статью и указал на свою предыдущую ошибку. Швингеру был свойственен элегантный и точный стиль, который проявлялся не только в манере держаться, но и в его научных работах. В этом смысле он был противоположностью Ричарду Фейнману, с которым он и Син-Итиро Томонага разделили Нобелевскую премию в 1965 году. Фейнман отличался некоторой экстравагантностью поведения и глубоко интуитивным подходом к физике, а Швингер был всегда педантичен и точен. Поэтому когда он написал статью, указав на слабое место в известной и принятой всеми теории, физическая общественность восприняла это очень серьезно.

Но один вопрос остался: что может заставить бозоны-переносчики взаимодействий обзавестись массой? Ответ пришел с несколько неожиданной стороны – не из физики элементарных частиц, а из физики конденсированных сред, занимающейся изучением материалов и их свойств. Идеи были позаимствованы по большей части из теории сверхпроводников – материалов, из которых, к слову, изготовлены гигантские магниты на БАКе.

Электрический ток представляет собой поток электронов через вещество. В обычном проводнике электроны натыкаются на атомы и другие электроны, что приводит к сопротивлению их потоку. А сверхпроводники – такие материалы, в которых, если температура достаточно низка, ток может протекать беспрепятственно. Первая обоснованная теория сверхпроводников была построена советскими физиками Виталием Гинзбургом и Львом Ландау в 1950 году. Они предположили, что сверхпроводник пронизывает особый вид поля, наделяющего массой обычно безмассовый фотон. Они, возможно, и не имели в виду новое фундаментальное поле, но сделали предположение о коллективном движении электронов, атомов и электромагнитных полей – вроде того, как звуковая волна – не колебание фундаментального поля, а коллективное движение атомов воздуха, сталкивающихся друг с другом.

Хотя Ландау и Гинзбург предположили, что за сверхпроводимость отвечало своего рода поле, они не уточнили, что это было за поле. Этот шаг сделали американские физики Джеймс Бардин, Леон Купер и Роберт Шриффер, которые в 1957 году построили теорию сверхпроводимости – то, что называется сегодня теорией «БКШ». Теория БКШ является одной из важнейших в физике XX века и, конечно, заслуживает отдельной книги (но моя книга про другое).

В теории БКШ за основу взята идея Купера о том, что частицы могут при очень низких температурах объединяться в пары. Именно эти «куперовские пары» формируют таинственное поле, которое ввели Ландау и Гинзбургом. В то время как один электрон будет постоянно наталкиваться на атомы вокруг него, в результате чего возникнет сопротивление, в куперовской паре электроны существуют таким образом, что когда что-то отталкивает один электрон пары, другой электрон испытывает равное и противоположное притяжение (и наоборот). В результате пары электронов проскальзывают через сверхпроводник беспрепятственно.

Это прямо связано с тем, что эффективная масса фотонов внутри сверхпроводника ненулевая. Когда частицы безмассовы, их энергия прямо пропорциональна их скорости и может варьироваться от нуля до любой величины, какую вы себе только можете представить. Массивные же частицы, напротив, имеют минимальную энергию – энергию покоя, определяемую выражением E = mc². При перемещении электронов в обычном проводнике они толкаются атомами и другими электронами, их электрическое поле мягко встряхивается, при этом создаются очень низкоэнергетические фотоны, которые вы вряд ли когда-нибудь заметите. Именно постоянное излучение фотонов заставляет электроны терять энергию и замедляться, что ведет к уменьшению тока. А в теориях Ландау-Гинзбурга или БКШ фотоны получают массу, и поэтому существует определенная минимальная энергия, необходимая для их создания. Электроны, которые не имеют такого минимального количества энергии, не могут создать какие-либо фотоны и поэтому не могут терять энергию: куперовские пары проходят через вещество с нулевым сопротивлением.

Электроны, конечно, являются фермионами, а не бозонами. Но когда они собираются вместе и создают куперовские пары, они превращаются в бозоны. Мы определили бозоны как переносчиков силовых полей, которые могут скапливаться в одном месте, что отличает их от фермионов – переносчиков полей вещества, требующих места в пространстве. Как мы обсудим в Приложении 1, поля имеют свойство под названием «спин», что также отличает бозонные поля от фермионных. Все бозоны имеют спины, которые являются целыми числами: 0, 1, 2… Фермионы же имеют полуцелые спины: 1/2, 3/2, 5/2… Электрон – фермион со спином 1/2. Когда частицы собираются вместе, их спины могут складываться или вычитаться, так что пара двух электронов может иметь спин 0 или 1 – как раз столько, сколько нужно, чтобы создать бозоны.

Это очень грубое изложение теорий Ландау-Гинзбурга и БКШ, на самом деле в них много тонкостей, в теориях появляется множество разных частиц, взаимодействующих друг с другом и согласованно движущихся по правилам квантовой механики. Для наших теперешних целей ключевой момент состоит в том, что бозонное поле, заполняющее пространство, может дать массу фотонам.

 

Спонтанное нарушение симметрии

Это последнее утверждение уже очень похоже на идею Хиггса. Но остается вопрос: как можно соединить идею о том, что фотоны внутри сверхпроводника имеют массу, с тем, что в основной симметрии электромагнетизма у фотона массы нет?

Эта проблема была решена несколькими людьми, в том числе американцем Филиппом Андерсоном, русским Николаем Боголюбовым и японцем Йочиро Намбу. Ключевым оказалось то, что симметрия действительно есть, но она скрыта полем, принимающим в сверхпроводнике ненулевое значение. Для этого явления используется жаргонное выражение «спонтанное нарушение симметрии»: симметрия присутствует в основных уравнениях, но частное решение этих уравнений, которое как раз нас и интересует, выглядит не очень симметричным.

Йоширо Намбу, несмотря на то что он получил Нобелевскую премию в 2008 году и за многие годы собрал множество других наград, известен в основном только среди физиков. Это несправедливо, поскольку он сделал для науки не меньше, чем его более известные коллеги. Он не только одним из первых понял, что такое спонтанное нарушение симметрии в физике элементарных частиц, он еще и первым предложил различать кварки по цвету, выдвинул идею существования глюонов и придумал, что некоторые свойства частиц можно объяснить, представив их в виде крошечных струн, и таким образом заложил основы теории струн. Физики-теоретики восхищаются идеями Намбу, но сам он не любит оказываться в центре внимания.

В течение нескольких лет я был преподавателем в Университете Чикаго и занимал офис, расположенный через холл от офиса Намбу. Мы не слишком часто разговаривали, но когда встречались, он был неизменно приветлив и вежлив. Мое самое продолжительное общение с ним состоялось, когда он однажды постучал в мою дверь и попросил помочь разобраться с электронной почтой на компьютерах отдела теории групп, которые взяли за правило выключаться на непредсказуемое время. Я не сильно ему помог, но он отнесся к этому философски. Питер Фройнд – еще один теоретик из Чикаго – считает Намбу настоящим волшебником: «В какой-то момент он вытягивает целую кучу кроликов из шляпы и высаживает их в определенном порядке, но прежде чем вы поймете, что происходит, кролики уже сидят совершенно в другом порядке и – о Боже, это невозможно – они покачиваются на своих пушистых хвостиках!». Его необыкновенная учтивость, однако, помешала ему, когда ему пришлось короткое время выполнять функции заведующего кафедрой: он с трудом мог заставить себя сказать твердое «нет» в ответ на любую просьбу и выражал свое несогласие, делая паузу, прежде чем сказать «да». Когда коллеги поняли, что ни одна из их просьб фактически не была удовлетворена, они слегка ужаснулись.

После того как была построена теория БКШ, Намбу решил проанализировать явление сверхпроводимости с точки зрения физики элементарных частиц. Он понял ключевую роль спонтанного нарушения симметрии и задумался о его роли в других явлениях. Вот одна из прорывных идей Намбу: он показал (частично в сотрудничестве с итальянским физиком Джованни Йона-Лазинио), что спонтанное нарушение симметрии может произойти не только внутри сверхпроводника, а даже в пустом пространстве, если там есть некоторое поле с ненулевым значением. Это уже было предвестником поля Хиггса. Интересно, что эта теория также предсказала, что переносчики фермионного поля поначалу существуют без массы, но приобретают ее в процессе нарушения симметрии.

Вот что случается при спонтанном нарушении глобальной симметрии. До нарушения симметрии имеется определенное число N скалярных бозонов с одинаковыми массами. После того как симметрия нарушена, все, кроме одного, становятся безмассовыми бозонами Голдстоуна-Намбу. Один оставшийся бозон имеет массу.

Какой бы блестящей идея Намбу о спонтанном нарушении симметрии ни была, одно ее следствие оказалось странным. Она предсказала новую частицу – безмассовый бозон – как раз такой, которого физики пытались избежать, поскольку они знали, что в ядерных взаимодействиях нет никаких безмассовых бозонов. Эти бозоны не были калибровочными, так как Намбу рассматривал спонтанное нарушение глобальной симметрии, а не локальной, это были безмассовые частицы нового типа. Вскоре после этого шотландский физик Джеффри Голдстоун показал, что эти новые частицы – не простое недоразумение: спонтанное нарушение глобальной симметрии обязательно приводит к появлению безмассовых частиц, которые теперь называются «бозонами Намбу-Голдстоуна». Позже пакистанский физик Абдус Салам и американский физик Стивен Вайнберг в сотрудничестве с Голдстоуном развили эту идею и превратили ее в строго доказанную теорему – она теперь называется «Теорема Голдстоуна».

Один из вопросов, который необходимо решить любой теории с нарушением симметрии, звучит так: какое именно поле нарушает симметрию? В сверхпроводнике его роль играет поле куперовских пар – объединенных состояний электронов. В модели Намбу-Йона-Лазинио аналогичный эффект возникает при образовании составных нуклонов. Начиная с работы Голдстоуна 1961 года физики привыкли, что нужно просто постулировать существование новых фундаментальных бозонных полей, чья функция состоит в том, чтобы сломать симметрию, приняв ненулевое значение в пустом пространстве. Эти поля называются «скалярными», и это название говорит о том, что у них нет собственного спина. Переносчики калибровочных полей, хотя они также бозоны, имеют спин, равный единице (за исключением гравитонов, спин которых равен 2).

Если симметрия не нарушена, все поля в модели Голд-стоуна, согласно требованиям симметрии, будут вести себя в точности так же, как поля массивных скалярных бозонов. Когда симметрия нарушается, поля становятся разными. В случае глобальной симметрии (одна трансформация во всем пространстве), которую и рассматривал Голд-стоун, одно поле остается массовым, в то время как другие становятся безмассовыми бозонными полями Намбу-Голдстоуна. Это и есть теорема Голдстоуна.

 

Объединение

Это было плохой новостью. Казалось, что, даже если вы применяете теории БКШ и Намбу и используете спонтанное нарушение симметрии как способ дать массу гипотетическим бозонам Янга-Миллса (переносчикам ядерных сил), сама ваша методика порождает другой вид безмассовых бозонов, а их в экспериментах не находили.

К счастью, решение этой загадки нашлось почти одновременно с ее появлением. По крайней мере, оно было известно Филу Андерсону из Bell Labs, и он очень постарался сделать так, чтобы о нем стало известно всему миру. Андерсон, получивший Нобелевскую премию в 1977 году, считался одним из лучших в мире специалистов в области конденсированных сред. Он стал интеллектуальным гуру в этой области, а его знаменитая статья 1972 года под названием «Много – совсем не то что одна», помогла всем понять, что изучение коллективного поведения многих частиц не менее интересно и важно, чем изучение базовых законов поведения отдельных частиц. В отличие от сдержанного Намбу Андерсон всегда был готов высказать свое мнение и часто делал это в провокативной форме: подзаголовок сборника его эссе – «Записки размышляющего ворчуна», а на задней странице обложки его биографии нам сообщается, что «несколько раз он принимал участие в научных спорах на горячие темы, в которых его точка зрения, хотя и непопулярная в то время, в конце концов чаще всего оказалась верной».

Безусловно, Намбу был вдохновлен идеями теории БКШ, но модель, которую он и Йона-Лазинио предложили, касалась спонтанного нарушения в пустом пространстве глобальной, а не локальной (калибровочной) симметрии. Но именно локальная симметрия приводит к появлению калибровочных полей и, следовательно, сил природы. Глобальные симметрии могут помочь нам понять наличие или отсутствие различных взаимодействий, но они не приводят к появлению новых сил.

Андерсон не был специалистом в области элементарных частиц, но он понимал основные идеи, лежащие в основе теории бозонов Намбу-Голдстоуна. К тому же они сыграли важную (возможно, косвенную) роль в его работе по теории БКШ в 1958 году. Он еще в 1952 году понял важные последствия нарушения симметрии и сейчас считает этот результат своим самым большим вкладом в физику. Андерсон также не верил, что спонтанное нарушение симметрии всегда связано с безмассовыми частицами, поскольку оно пришло из модели БКШ, а в этой модели никаких безмассовых частиц не было.

В 1962 году Андерсон написал статью (опубликованную в 1963 году), получив годом ранее одобрение Швингера, в которой пытался объяснить физикам элементарных частиц, как избежать опасности появления в их теории безмассовых частиц. Решение было весьма элегантное: безмассовая частицы – переносчик взаимодействий, с которых вы начинаете при ненарушенной симметрии, и безмассовый бозон Намбу-Голдстоуна, образовавшиеся в результате спонтанного нарушения симметрии, объединяются в одну массовую частицу – переносчик взаимодействия. Образно говоря, «два минуса дают плюс».

Андерсон сформулировал это вполне четко: «Учитывая сверхпроводящий аналог, вполне вероятно, что теперь открывается путь для написания теории вырожденного вакуума типа теории Намбу, поскольку ликвидируются трудности, связанные и с нулевой массой калибровочных бозонов Янга-Миллса и с нулевой массой голдстоуновских бозонов. Похоже, эти два типа бозонов способны «слиться друг с другом», в результате чего останутся только бозоны с конечными массами».

Однако физики элементарных частиц не услышали послание, несмотря на опубликование этих результатов, или же услышали, но не поверили. Идеи Андерсона касались общих свойств полей при спонтанном нарушении калибровочной симметрии. Но Андерсон не построил точную модель фундаментального поля, которое и нарушает симметрию. Он показал, что следствий теоремы Голдстоуна можно избежать, но не объяснил, в каких именно случаях условия теоремы не соблюдаются.

В конденсированных средах легко измерить скорость по отношению к веществу, в котором эта скорость измеряется. В пустом же пространстве нет выделенной системы отсчета, и теория относительности утверждает, что все скорости равноправны. В доказательстве теоремы Голдстоуна теория относительности сыграла решающую роль. Для многих физиков частиц тот факт, что теорема Голдстоуна строго доказана, оказался важнее, чем примеры Андерсона, демонстрирующие нарушение теоремы, и они обратились к теории относительности, чтобы с ее помощью попытаться устранить противоречия. В 1963 физик из Гарварда Уолтер Гилберт написал статью, в которой точно сформулировал этот аргумент. (Гилберт в то время собирался бросить физику элементарных частиц и переключиться на биологию. Смена рода деятельности не обязательно свидетельствует об отсутствии таланта, и в 1980 году он получил Нобелевскую премию по химии за работу по нуклеотидам.) Абрахам Клейн и Бенджамин Ли в 1964 году опубликовали статью, в которой приведены условия для нерелятивистского случая, при которых теорема Голдстоуна не выполняется, и предположили, что аналогичные рассуждения можно применить и к релятивистскому случаю, но их аргументы не посчитали убедительными.

Сам Андерсон был слишком осторожен, а потому даже не заикался о спонтанном нарушении симметрии в пустом пространстве, и у него для этого были вполне веские причины, которые не дают нам покоя и по сей день. Если у вас есть поле с ненулевым значением в пустом пространстве, оно должно обладать энергией. Она может быть положительной или отрицательной, но у нее нет никаких особых причин быть нулевой. Эйнштейн давно приучил нас к тому, что энергия пустого пространства – энергия вакуума – оказывает важное влияние на гравитацию, ускоряя или замедляя расширение Вселенной (в зависимости от того, энергия положительна или отрицательна). Простые прикидки показывают, что энергия, о которой мы говорим, столь велика, что мы давно бы заметили ее – или, вернее, ее некому было бы заметить, поскольку Вселенная бы разорвалась или сколлапсировала сразу после Большого взрыва. Мы говорим о так называемой «проблеме космологической постоянной», которая остается одной из наиболее актуальных проблем в области теоретической физики. Сейчас считается, что скорее всего существует некая положительная энергия пустого пространства – «темная энергия» – которая заставляет Вселенную ускоренно расширяться, и за этот результат в 2011 году была присуждена Нобелевская премия по физике. Но количество этой темной энергии намного меньше, чем предсказывает теория, так что загадка остается.

 

1964 год. Энглер и Браут

Каждый физик, если ему достался такой драгоценный товар, как «хорошая идея», живет в страхе, что ее кто-то украдет и опубликует прежде, чем он сделает это сам. Учитывая количество идей, можно было бы ожидать, что такое случается редко. Но идеи не появляются внезапно – все ученые встроены в коммуникативную структуру, которую составляют научные доклады, статьи и неформальные беседы, и очень часто случается, что два или несколько человек, никогда прежде не встречавшихся друг с другом, размышляют об одних и тех же проблемах. (Вот и в XVII веке Исаак Ньютон и Готфрид Лейбниц сумели изобрести интегральное исчисление совершенно независимо друг от друга.)

В 1964 году – том же году, когда «битлы» покорили Америку – три независимые группы физиков выдвинули очень похожие идеи того, что спонтанное нарушение локальной симметрии не приводит к появлению безмассовых бозонов, а только бозонов, у которых есть масса и которые, следовательно, являются переносчиками короткодействующих взаимодействий. Первой появилась статья Франсуа Энглера и Роберта Браута из Брюссельского свободного университета Бельгии. Затем появились одна за другой две статьи Питера Хиггса из Эдинбурга – столицы Шотландии. А потом американцы Карл Ричард Хаген и Джеральд Гуральник (бывший аспирантом Уолтера Гилберта) в соавторстве с англичанином Томом Кибблом тоже написали статью. Все три группы работали независимо, и все они заслуживают того, чтобы их признали соавторами теории, которую мы сейчас называем «механизмом Хиггса». Заметим, что вклад каждого из них продолжает обсуждаться.

Статья Энглера и Браута была короткой и касалась только существа вопроса. Энглер и Браут познакомились в 1959 году, когда Энглер приехал к Корнелл в качестве постдока к Брауту. В первый же день, когда они встретились и зашли выпить по кружке пива, затем по второй, затем еще по одной, они сразу понравились друг другу. Когда Энглер в 1961 году вернулся в Бельгию, чтобы занять преподавательскую должность в университете Брюсселя, Браут с женой сначала побывали у него в гостях, им там понравилось, и потом они решили переехать в Брюссель насовсем. Браут и Энглер оставались близкими друзьями и соратниками вплоть до кончины Браута в 2011 году.

В своей знаменитой статье они рассмотрели два вида полей: калибровочное поле, носителем которого является калибровочный бозон, и набор из двух нарушающих симметрию скалярных полей, которые в пустом пространстве принимают ненулевое значение. Похожая постановка содержалась и в работе Голдстоуна по нарушению глобальной симметрии, но с добавлением калибровочного поля, необходимого для локальной симметрии. В статье авторы не уделили большого внимания свойствам скалярных полей, сфокусировавшись вместо этого на том, что происходит с калибровочным полем. Используя диаграммы Фейнмана, они показали, что калибровочные бозоны получают массу, не нарушая основной симметрии, – в полном соответствии с требованиями теории относительности и вопреки опасениям Гилберта. Всю эту теорию они построили, видимо, ничего не зная о статье Андерсона, опубликованной годом раньше.

 

1964 год. Хиггс

В 1960 году Питер Хиггс вернулся в родную Шотландию после получения докторской степени в Университетском колледже в Лондоне и занял место преподавателя в университете Эдинбурга. Он знал о работе Андерсона и заинтересовался вопросом о том, как в релятивистской теории можно избежать выполнения условий теоремы Голдстоуна. В июне 1964 года Хиггс открыл последний выпуск главного в США физического журнала Physical Review Letters и наткнулся на статью Гилберта. Позднее он вспоминал: «В первую минуту мне захотелось сказать, что все это ерунда, поскольку автор, казалось, опровергал теорию Намбу». Но тут Хиггс вспомнил, что Швингер нашел лазейку в существующих представлениях о том, что калибровочные бозоны должны быть безмассовыми из соображений симметрии, и подумал, что, может, удастся расширить лазейку на случай спонтанно нарушенных симметрий. Понимая, что это важный вопрос, Хиггс быстро написал короткую статью, которая была опубликована в Physics Letters – европейском аналоге Physical Review Letters. В ней впервые было явно показано, что условия теоремы Голдстоуна могут не выполняться в случае калибровочной симметрии, даже когда теория относительности играет важную роль.

Чего в той первой статье Хиггса не было, так это конкретной модели, в которой безмассовым бозонам фактически не было места. Но уже во второй своей работе он именно это и сделал: он исследовал поведение пары нарушающих симметрию скалярных полей голдстоуновского типа, взаимодействующих с калибровочным полем – источником силы, и показал, что калибровочное поле съедает бозон Намбу-Голдстоуна, рождая один массивный калибровочный бозон. Он послал эту вторую статью снова в Physics Letters – и там ее сразу отклонили. Это удивило Хиггса – он не мог понять, почему журнал публикует статью, в которой говорится о «возможности рождения массивных калибровочных бозонов», но отказывается публиковать статью, посвященную «реальной модели массивных калибровочных бозонов». Но Хиггс не сдался. Он добавил пару абзацев, разъясняющих физические следствия предложенной модели, и послал статью в американский журнал Physical Review Letters, где она и была принята. Референтом был Намбу, о чем Хиггс узнал позже, и именно он, Намбу, предложил Хиггсу добавить ссылку на только что вышедшую статью Энглера и Браута.

В той паре абзацев, которые Хиггс написал в дополнение к своей статье, содержалось замечание о том, что его модель не только делает калибровочные бозоны массивными, но также предсказывает существование массивного скалярного бозона. Это было первое точное упоминание об известном теперь и любимом нами «бозоне Хиггса». Вспомним, что модель Голдстоуна нарушения глобальной симметрии предсказала не только ряд безмассовых бозонов Намбу-Голдстоуна, но и один массивный скалярный бозон. В случае локальной симметрии предполагаемые безмассовые скалярные бозоны съедаются калибровочными полями, которые становятся массивными. Но массивный скалярный бозон и соответствующее поле из теории Голд-стоуна по-прежнему остаются в теории Хиггса. Энглер и Браут не обсуждали эту частицу, хотя в ретроспективе мы видим, что она неявно присутствует в их уравнениях (как и в работе Андерсона).

Забегая немного вперед, скажем, что при реальном применении механизма Хиггса в Стандартной модели, прежде чем симметрия нарушится, существует четыре скалярных бозона и три безмассовых калибровочных бозона. Когда симметрия нарушается, три из четырех скалярных бозонов поедаются калибровочными бозонами. Таким образом у нас остается три массивных калибровочных бозона – два W-бозона, один Z-бозон и один массивный скалярный бозон – бозон Хиггса. Еще один калибровочный бозон – безмассовый в начале – таким же и остается. Это фотон. (Фотон на самом деле – смесь из нескольких калибровочных бозонов, но это уже слишком сложно объяснить.) В каком-то смысле мы уже обнаружили три четверти бозонов Хиггса в 1980-е годы, когда нашли массивные W– и Z-бозоны.

Вот что случается при спонтанном нарушении локальной (калибровочной) симметрии, и это кардинально отличается от разобранного ранее случая нарушения глобальной симметрии. Теперь в симметричной ситуации есть безмассовые калибровочные бозоны и массивные скалярные бозоны. Те бозоны, которые были бы безмассовыми при нарушении глобальной симметрии, съедаются калибровочными бозонами, которые становятся массивными. Остается один массивный скалярный бозон – это бозон Хиггса.

Можно спорить о том, кто – Андерсон, Энглер с Браутом или Хиггс – первым предложил механизм Хиггса, с помощью которого калибровочные бозоны становятся массивными, но сам Хиггс точно имеет право претендовать на первенство в упоминании о бозоне Хиггса – частицы, которую мы в настоящее время сделали символом нашего понимания того как работает природа. В следующей своей статье в 1966 году Хиггс обсудил свойства этого бозона более подробно. Но кто знает – возможно, если бы его предыдущая статья не была сначала отклонена журналом Physics Letters, он бы никогда вообще не обратил внимания на этот бозон.

Хиггс хорошо знал о работе Андерсона с 1963 года. Он стремился отдать должное Андерсону, но утверждал, что тот остановился на полдороге: «Андерсон должен был сделать две основные вещи, но он их не сделал, зато сделал я. Он должен был показать прореху в условиях теоремы Голд-стоуна и предложить простую релятивистскую модель, которая бы показывала, как это работает. Тем не менее всякий раз, когда я читаю лекцию о так называемом механизме Хиггса, я начинаю с Андерсона, который на самом деле сделал все правильно, но его никто не понял».

 

1964 год. Гуральник, Хаген и Киббл

Гуральник, Хаген и Киббл (ГХК) завершили свою собственную статью вскоре после того, как были опубликованы статьи Энглера с Браутом и Хиггса. Статья ГХК выросла из давних дискуссий Гуральника с Хагеном еще тех времен, когда они оба были студентами в Массачусетском технологическом институте. Они написали свою первую совместную статью после того, как Хаген остался в аспирантуре в Массачусетском технологическом институте, а Гуральник переехал чуть вверх по реке – в Гарвард. Эти обсуждения возобновились после того, как Гуральник уехал в постдокторантуру в Имперский колледж в Лондон, где преподавал Абдус Салам, и, естественно, спонтанное нарушение симметрии там горячо обсуждалось. Киббл тоже преподавал в этом колледже, и они с Гуральником часто размышляли вместе, как обойти теорему Голдстоуна. Визит Хагена в Лондон побудил троицу изложить свои результаты в статье.

В октябре 1964 года, как вспоминали участники этой истории, «буквально в тот самый момент, когда Хаген и Гуральник запечатывали конверт с рукописью для отправки в Physical Review Letters, в офис вошел Киббл, держа в руке две статьи Хиггса и одну Энглера и Браута». Энглер и Браут представили статью 26 июня 1964 года, и она была опубликована в августе, две работы Хиггса были представлены 27 июля и 31 августа и вышли в сентябре и октябре соответственно, а статья ГХК была послана 12 октября и появилась в ноябре. В первый момент им не пришло в голову, что их «обошли» в открытии, хотя они поняли, что эти работы, о которых они до тех пор не подозревали, затрагивали похожую тему. ГХК рассудили, что Энглер с Браутом и Хиггс успешно решили вопрос о том, как калибровочные бозоны могли бы получить массу при спонтанном нарушении симметрии, но обошли вопрос о том, что в условиях теоремы Голдстоуна неправильно, а это было центральным пунктом обсуждения в статье англо-американского триумвирата. Они чувствовали, что рассуждения Энглера и Браута по поводу того, что случается с различными колеблющимися полями, были несколько туманными, а статьи Хиггса имели тот недостаток, что были написаны не на языке квантовой механики.

И тогда ГХК вынули свою статью из конверта и добавили ссылку на эти работы: «Предмет нашего рассмотрения – теория, которая была частично сформулирована Энглером и Браутом и имеет некоторое сходство с теорией Хиггса». Поскольку почти одновременное рождение идей – не слишком редкое явление, в физической литературе принята следующая процедура: если какая-то статья выходит до того, как ваша собственная окончательно написана, вы пишете в примечании со ссылкой на нее объяснение типа «в то самое время, когда данная работа была почти закончена, мы получили статью похожего содержания…». ГХК не сделали этого явно, но никто не сомневается, что их работа была практически завершена до того, как они что-либо услышали о работах конкурентов. Эти работы достаточно разные, и работа ГХК появилась через такое короткое время после выхода первых статей, что не было никаких оснований заподозрить, что авторы основывались на работах Энглерта, Браута и Хиггса.

Гуральник, Хаген и Киббл провели тщательный квантовомеханический анализ проблемы спонтанного нарушения калибровочной симметрии. Они сосредоточились на том, как обойти условия теоремы Голдстоуна, и очень досконально изучили этот вопрос. Они, однако, не совсем верно ввели бозон Хиггса. В то время как реальный бозон Хиггса должен быть массивным, ГХК искусственно положили его массу равной нулю. В отношении этой частицы они выразились недвусмысленно: «Нетрудно заметить, что в нашей теории есть безмассовая частица, однако она совершенно не взаимодействует с другими (массивными) возбуждениями и не имеет ничего общего с голдстоуновскими бозонами». Эти утверждения верны в модели, которую они рассматривали, но только потому, что они положили взаимодействие и массу бозона Хиггса равными нулю, а в реальном мире, как мы считаем, он имеет массу и взаимодействует с другими частицами.

Была еще одна команда, двигавшаяся в том же направлении, хотя и с некоторым запозданием (всего на несколько месяцев). В то время общение между учеными Советского Союза и стран Запада было затруднено из-за многочисленных политических и бюрократических барьеров. В 1965 году, когда в Москве физики Александр Мигдал и Александр Поляков, которым тогда было по девятнадцать лет, занялись вопросами спонтанного нарушения симметрии в калибровочных теориях, они ничего не знали о работах их зарубежных коллег, вышедших в 1964 году. Статья советских физиков получила отрицательные отзывы рецензентов и не была напечатана до 1966 года.

Несмотря на всю эту кипучую деятельность нескольких групп, многие ученые были настроены скептически в отношении того, что в локальных симметриях удастся избежать безмассовых частиц. Хиггс рассказывал историю про то, как он давал семинар в Гарварде, и теоретик Сидни Коулман подзуживал своих учеников «порвать этого трюкача, который думает, что может перехитрить Голдстоуна с его теоремой». (Я могу ручаться за достоверность этой истории, так как много лет спустя Коулман на лекции по квантовой теории поля нам сам ее рассказывал.) Но у Энглера, Браута, Хиггса, Гуральника, Хагена и Киббла был важный козырь – они оказались правы. И очень скоро их идеи пригодились. Случилось это тогда, когда было сделано одно из триумфальных открытий, определивших структуру Стандартной модели.

 

Слабые взаимодействия

Все эти обсуждения различных видов спонтанного нарушения симметрии затрагивали основные вопросы квантовой теории поля: при каких обстоятельствах оно может произойти и что может при этом случиться? Предстояло увидеть, имеют ли явления, описанные в теории, отношение к реальному миру. И вот прошло совсем немного времени, и они были востребованы при анализе слабых взаимодействий.

Первая перспективная теория слабых взаимодействий была предложена Энрико Ферми в 1934 году. Ферми воспользовался идеей нейтрино, незадолго до этого выдвинутой Вольфгангом Паули для построения модели нейтронного распада, протекающего – как теперь мы бы сказали – по каналам слабых взаимодействий. Как мы увидели в главе 7, расчет Ферми, кроме того, был одним из первых успешных расчетов в рамках квантовой теории поля.

Теория Ферми хорошо описывает данные, но только если не требовать от нее слишком многого. Многие расчеты в квантовой теории поля строятся по такой схеме: сначала находится приблизительный ответ, а затем постепенно включаются вклады от более сложных диаграмм Фейнмана, и ответ шаг за шагом уточняется. В теории Ферми начальное приближение дает очень хороший ответ, но следующая аппроксимация (которая должна быть небольшой поправкой) оказывается бесконечной. Эта неприятность называется проблемой расходимости, тут сидит большая проблема, которая будет довлеть над физикой элементарных частиц на протяжении всего XX века. Бесконечность, конечно, не может быть правильным ответом, поэтому она служит указанием на то, что ваша теория где-то не верна. Теория должна соответствовать экспериментальным данным, но она также должна быть правильной и в математическом смысле.

Проблема расходимости возникает не только в слабых взаимодействиях, от нее пострадал и электромагнетизм – по идее одна из самых простых и легких для понимания квантовых теорий поля из всех существующих на данный момент. Оказывается, однако, что бесконечности можно приручать. Подобная процедура называется «перенормировкой», и за ее изобретение Фейнман, Швингер и Томонага получили Нобелевскую премию.

Некоторые теории поля перенормируемы (и для них есть четко определенные математические методики получения конечных ответов), а некоторые – нет. В современной квантовой теории поля даже если теория не перенормируема, мы не отбрасываем ее. Мы просто считаем, что это приближение справедливо в лучшем случае только при очень низких энергиях, а при более высоких энергиях для устранения бесконечности нужно найти какие-то новые физические законы. В течение долгого времени, однако, неперенормируемость воспринималась как указание на то, что теория просто неправильна. Теория слабых взаимодействий Ферми оказалась неперенормируемой – как только мы пытаемся выжать из нее слишком много, она дает бесконечный ответ, и нет никакого способа избавиться от этого, кроме как придумать лучшую теорию.

Джулиан Швингер, который заинтересовался идеей Янга-Миллса о том, что более сложные симметрии могут приводить к появлению калибровочных полей, порождающих силы природы, попытался применить эту идею к слабым взаимодействиям. Конечно, тут же возникла большая проблема: бозоны Янга-Миллса не имеют массы, а это подразумевает силу, действующую на больших расстояниях, в то время как слабое взаимодействие явно ограничено очень малыми расстояниями. Швингер просто отложил эту проблему на время в сторону, начал с модели Янга-Миллса и в ней искусственно положил массу двух бозонов – переносчиков сил – ненулевой. Это было первое упоминание бозонов, которые мы теперь называем W+– и W−-бозонами. (По крайней мере, одно из первых. По словам Леона Ледермана, «в более поздних версиях теории Ферми, в первую очередь у Швингера, были введены тяжелые W+– и W−-бозоны в качестве носителей слабого взаимодействия. Похожую идею использовали и некоторые другие теоретики. Попробую перечислить: Ли, Янг, Гелл-Манн… Я не люблю хвалить конкретных теоретиков, поскольку 99 % остальных расстроятся».)

Бозоны Янга-Миллса были безмассовыми в первую очередь из-за симметрии, на которой строилась теория. Когда Швингер наделил бозоны массой, это означало, что симметрия нарушилась, но в данном случае это было явное (или жесткое) нарушение, а не «спонтанное», при котором симметрия скрыта неким полем, имевшим отличное от нуля значение в пустом пространстве (и к тому времени еще не открытое). В теории Швингера симметрия нарушалась не из-за поля, а потому что он ей так велел. Как вы можете догадаться, это искусственное предположение уменьшало доверие к модели. Прежде всего, перенормируемость электромагнетизма в решающей степени зависит от симметрии, лежащей в основе теории, и пренебрежение этой симметрией делает модель Швингера неперенормируемой. В конце концов, но много лет спустя, стало ясно, что теория массивных калибровочных бозонов станет перенормируемой тогда и если их массы приобретаются в результате спонтанного нарушения симметрии.

Пример изменения представлений о распаде нейтрона. В теории Ферми нейтрон распадается непосредственно на протон, электрон и антинейтрино. Швингер предположил, что нейтрон испускает заряженный W-бозон, который затем распадается на электрон и антинейтрино. Он был прав, но сейчас мы знаем, что нейтрон состоит из трех кварков, один из которых меняет вид с нижнего на верхний, испуская при этом W-бозон.

Тем не менее Швингер продолжал искать способы обойти эти трудности, и не только из упрямства. Одно из свойств гения в том, что он чувствует, какие идеи стоит развивать, даже если они не во всех отношениях соответствуют действительности. Важным следствием модели Швингера было то, что она предсказала три калибровочных бозона: два заряженных массивных W-бозона, и один нейтральный калибровочный бозон, которому было разрешено остаться без массы. Все мы, конечно, отлично знакомы с нейтральным безмассовым калибровочным бозоном: это фотон. Швингер был воодушевлен тем, что его подход дал надежду объединить электромагнетизм со слабыми взаимодействиями, что явилось бы важным шагом вперед в физике. Это, наверное, и давало ему силы и дальше совершенствовать свою модель, несмотря на кучу проблем.

Однако довольно скоро он бросил заниматься своей моделью. Статья Швингера была опубликована в 1957 году, и в том же году обнаружилось, что слабые взаимодействия нарушают четность. Вспомним, как в главе 8 мы говорили (и еще скажем в Приложении 1), что частицы являются либо левшами, либо правшами в зависимости от того, в каком направлении они вращаются. Нарушение четности подразумевает, что слабые силы воздействуют только на частицы-левши. Можно придумать симметрии Янга-Миллса, в которых задействованы лишь вращающиеся против часовой стрелки частицы, но мы знаем, что электромагнитные взаимодействия не нарушают четности – они обращаются и с левшами и с правшами одинаково. Это открытие, казалось, поставило крест на надежде Швингера объединить слабые и электромагнитные взаимодействия.

 

Электрослабое объединение

Иногда профессору, чтобы окончательно забросить ту или иную задачу, нужно дать порешать аспиранту. К счастью, у Швингера появился очень талантливый молодой аспирант – Шелдон Глэшоу, которому Швингер дал задание подумать о объединении электромагнетизма и слабых взаимодействий. Глэшоу был обаятельным и довольно экспансивным человеком. Занимаясь наукой, он любил перескакивать с одной темы на другую. Эта его особенность сослужила ему хорошую службу в его работе по объединению. После того как в течение нескольких лет (периодически переключаясь на другие темы) Глэшоу продумывал этот вопрос, он, наконец, нащупал подходящую модель того, что в конечном счете будет названо «электрослабым объединением».

Камнем преткновения была четность: в электромагнетизме она сохраняется, а слабые взаимодействия ее нарушают. Как можно было их объединить? Идея Глэшоу состояла в том, чтобы ввести две различных симметрии: одну, в которой вращающиеся против и по часовой стрелке частицы равноправны, и другую, в которой к ним относятся по-разному. Секрет модели Глэшоу был в том, что обе симметрии в ней нарушаются, но таким образом, что определенная их комбинация остается ненарушенной.

Представьте себе пару зубчатых колес. Любое из них может вращаться независимо, так же как две исходные симметрии Глэшоу. Но когда вы приведете их в сцепление друг с другом, они все еще смогут двигаться, но только уже согласованно, а не независимо. Теперь у них меньше свободы, чем раньше. В модели Глэшоу ненарушенная симметрия аналогична способности колес двигаться вместе, в то время как нарушенная симметрия – невозможность их двигаться на разных скоростях. Безмассовый нейтральный калибровочный бозон, соответствующий ненарушенной симметрии Глэшоу, – конечно, фотон.

Эта идея, казалось, была в состоянии удовлетворить требованиям, накладываемым и слабыми, и электромагнитными взаимодействиями. (Но проблема оставалась: по-прежнему массы калибровочных бозонов просто вводились руками, и теория была неперенормируемой.) Но в этой теории появлялось и что-то до сих пор неизвестное – новый калибровочный бозон, нейтральный, но массивный – тот, который мы сейчас называем Z-бозоном. В то время не было никаких свидетельств существования такой частицы, поэтому ученые почти не обратили внимание на эту модель.

Хотя может показаться, что предположения в модели Глэшоу, объединяющей электромагнетизм и слабые взаимодействия, были довольно искусственные, в них явно присутствовало рациональное зерно. На другом берегу океана – в Имперском колледже в Великобритании – почти такую же теорию разработали Абдус Салам и Джон Уорд. Каждый из них был очень опытным физиком. Уорд, родившийся в Англии, провел по несколько лет в Австралии и СТТТА и считался одним из основателей квантовой электродинамики. Он, вероятно, больше всего известен физикам своим «тождеством Уорда» из квантовой теории поля – математическим соотношением, которое обеспечивает выполнение локальных симметрий. Салам, родившийся в Пакистане, когда он еще был частью Индии и находился под британским контролем, впоследствии превратился в политического активиста и стал продвигать науку в развивающихся странах. Уорд и Салам часто работали вместе, и некоторые их самые интересные статьи по вопросам объединения взаимодействий были написаны в соавторстве.

Следуя почти такой же логике, что и Глэшоу, Салам и Уорд придумали модель с двумя различными симметриями, одна из которых нарушала четность, а другая, которая не нарушала, предсказывала безмассовый фотон и три массивных калибровочных бозона слабых взаимодействий. Они опубликовали эту работу в 1964 году, по-видимому, не зная о более ранней статье Глэшоу. Как и у Глэшоу, в их модели симметрия нарушалась искусственно, а не спонтанно. Как и Глэшоу, они не использовали результаты Гуральника, Хагена, и Киббла по спонтанному нарушению симметрии, но у них, в отличие от Глэшоу, не было никаких оправданий, поскольку их кабинеты находились буквально через коридор друг от друга.

Частично такое странное отсутствие контактов между ними могло быть связано с естественной сдержанностью Уорда. В своей книге «Загадка бесконечности» Фрэнк Клоуз приводит поразительную историю, рассказанную ему Джеральдом Гуральником: «Как-то Гуральник и Уорд обедали вместе в местном пабе, и Гуральник начал рассказывать о своей еще не завершенной работе по скрытой симметрии. «Я не успел почти ничего сказать, а [Уорд] уже остановил меня. Он прочел мне лекцию о том, что я не должен открыто говорить о своих неопубликованных идеях, потому что их могут украсть, а то и опубликовать прежде, чем я закончу работу над ними». В результате этого предостережения Гуральник не расспросил Уорда о работе, которую тот делал с Саламом».

Можно согласиться с таким осторожным подходом к обсуждению неопубликованных работ, но даже самые скрытные физики обычно не боятся обсуждать уже опубликованные результаты. По какой-то причине, однако, Салам и Уорд узнали о результатах Гуральника, Хагена и Киббла лишь через несколько лет – случилось это, когда Саламу об их работе рассказал Том Киббл. После этого Салам в течение многих лет ссылался на нее как на «механизм Хиггса-Киббла».

 

Собираем пазл

Окончательно все вместе кусочки мозаики сложились в 1967 году. Стивен Вайнберг был одноклассником Шелдона Глэшоу – они учились вместе в Бронксе, в школе Бронкс-Сайенс, но они никогда не работали вместе в той области теоретической физики, которая впоследствие привела их обоих к Нобелевской премии (совместно с Саламом) в 1977 году. Сегодня Вайнберг имеет статус уважаемого старейшины в физике, он этакий политик от науки, а также автор ряда нашумевших книг и множества эссе, публиковавшихся в The New York Review of Books и других изданиях. (В свое время Вайнберг был главным лоббистом Сверхпроводящего суперколлайдера и добивался бы его строительства, даже если бы ускоритель решили строить не в Техасе, куда Вайнберг переехал в 1982 году.)

А в 1967 году Вайнберг был еще совсем молодым профессором Массачусетского технологического института, каждый день приезжавшим в кампус на своем красном «камаро». В то время Вайнберг глубоко погрузился в проблему спонтанного нарушения симметрии, но пытался применить его в основном для того, чтобы разобраться в сильных взаимодействиях. Вдохновленный недавней работой Тома Киббла, Вайнберг играл с набором симметрий, и в результате незаметно для него самого его модель стала сильно напоминать более ранние модели Глэшоу и Салама с Уордом. Проблема была в том, что в его модели тоже возникал безмассовый нейтральный калибровочный бозон, которого, по-видимому, не было в сильных взаимодействиях.

В сентябре того же года Вайнберг вдруг понял, что он решал неправильно сформулированную задачу. Его модель, не очень адекватно описывающая сильные взаимодействия, отлично описывала слабые и электромагнитные взаимодействия. Раздражающий всех безмассовый бозон был на самом деле не ошибкой, а присущим этим взаимодействиям элементом – фотоном. В короткой статье под названием «Теория лептонов» Вайнберг объединил все эти идеи и изложил теорию, в которой каждый современный аспирант, специализирующийся в области физики элементарных частиц, немедленно распознает единую электрослабую модель – компонент Стандартной модели. В статье Вайнберг ссылался на статью Глэшоу, но не на работу Салама и Уорда, о которой ему все еще не было известно. Используя идеи Киббла, Вайнберг смог прямо предсказать массы W– и Z-бозонов, чего ни Глэшоу, ни Салам с Уордом сделать не могли, так как они вставляли их массы вручную. Вайнберг в своей теории объяснил механизм, посредством которого все фермионы, а также калибровочные бозоны приобретают массы. Он даже отметил, что модель поддается перенормировке, хотя в то время не мог предложить никаких убедительных аргументов в пользу этого. Самосогласованная теория электрослабого объединения была, наконец, построена.

Почти тогда же Киббл и Салам поняли, что оба интересуются нарушением симметрии, и Киббл объяснил свою теорию Саламу. Салам подумал, что может переработать единую модель, которую они разработали с Уордом, включив в нее скалярные бозоны, нарушающие симметрию, и даже прочитал лекцию на эту тему в Имперском колледже для небольшой аудитории. По неизвестным причинам Салам не изложил эти идеи сразу в виде статьи. Вообще-то он был чрезвычайно плодовитым ученым, но в те дни его внимание было направлено в основном на гравитацию, а не на субатомные силы. И как следствие, его идея о том, что в модель Салама-Уорда нужно добавить механизм Хиггса, в напечатанном виде появилась только через год в трудах конференции (где он также процитировал статью Вайнберга).

Статьи Вайнберга и Салама по отдельности имели примерно такое же влияние, как четырехметровый блин, плашмя упавший с высоты пяти сантиметров (как образно выразился Курт Воннегут по другому поводу). В академических кругах, и, в частности, в естественных науках наиболее объективным количественным показателем важности данной работы является индекс цитируемости, то есть число ссылок других авторов на данную статью. В период с 1967 по 1971 год на статью Вайнберга сослались лишь несколько раз (что касается двух других авторов, то ни один из них в последующие годы по-настоящему не занимался этой темой). Однако уже начиная с 1971 года в течение четырех последующих десятилетий статью Вайнберга процитировали более 7500 раз – в среднем чаще, чем раз в два дня!

Так что произошло в 1971 году? Был получен некий потрясающий экспериментальный результат? Нет, зато был потрясающий теоретический результат: молодой аспирант из Голландии – Герард Хоофт, научным руководителем которого был Мартинус («Тини») Вельтман, доказал, что теории со спонтанно нарушенной калибровочной симметрией перенормируемы, несмотря на то, что калибровочные бозоны массивны. Другими словами, Хоофт показал, что теория электрослабого взаимодействия математически непротиворечива. Это было то, что и предполагал Вайнберг и Салам, хотя многие специалисты в этой области до 1971 года оставались скептически настроенными. По словам Сидни Колмана, Хоофт «расколдовал лягушку Вайнберга и Салама и превратил ее в принца». Герард Хоофт с тех пор стал считаться одним из самых креативных и блестящих умов в физике. Он и Вельтман вместе получили Нобелевскую премию в 1999 году за работы по электрослабой теории и спонтанному нарушению симметрии.

Но и замечательные экспериментальные результаты не заставили себя долго ждать. Главным следствием модели Глэшоу-Салама-Уорда-Вайнберга было существование тяжелых нейтральных Z-бозонов. Роль W-бозонов была хорошо известна – при рождении они изменяют идентичность фермиона (например, при распаде нейтрона нижний кварк превращается в верхний). Если существовал Z-бозон, это означало бы, что есть такие слабые взаимодействия, в которых частицы сохраняют свою идентичность, например нейтрино может рассеиваются на атомных ядрах. Именно такие события увидели на детекторе «Гаргамель» в ЦЕРНе в 1973 году, что и обеспечило присуждение Нобелевской премии Глэшоу, Саламу и Вайнбергу в 1979 году. (Уорд остался за бортом, поскольку, как уже говорилось, премию могут получить не больше трех человек.) Но это были лишь косвенные признаки воздействия W– и Z-бозонов, а сами они будут обнаружены еще через нескольких лет, когда их найдет Карло Руббиа.

А пока все было подготовлено к открытию бозона Хиггса.

 

Игры вокруг названия

Физики – тоже люди, и ничто человеческое им не чуждо. Как правило, ими движет чувство, которое Ричард Фейнман называл «удовольствием от открытия нового», но как только они узнают что-то интересное, им хочется получить признание общественности. В этой книге, следуя общепринятой в физическом сообществе практике, я использую для названия процесса обретения массы калибровочными бозонами с помощью спонтанного нарушения симметрии термин «механизм Хиггса», а для скалярной частицы, предсказанной этой моделью, – «бозон Хиггса». В то же время понятно, что, хотя вклад самого Хиггса в создание теории очень важен, он не был единственным. Почему именно это название прижилось и как должно быть по справедливости?

Никто не знает точно, откуда взялось это название – «бозон Хиггса». Ясно одно – не от самого Питера Хиггса. Физики элементарных частиц считают, что во всем виноват Бенджамин Ли – талантливый корейско-американский физик, трагически погибший в автомобильной катастрофе в 1977 году. Ли узнал о спонтанном нарушении калибровочной симметрии из разговора с Хиггсом, и затем, в 1972 году делая важный доклад на конференции в лаборатории Ферми, он неоднократно ссылался на «мезон Хиггса». Это было в сразу же после появления революционного результата Хоофта, когда все судорожно пытались понять, в чем состоят его идеи. Именно из-за того, что физики – люди, они, как и все прочие, в разговоре лучше всего запоминают первые слова, и поэтому доклад, который услышало очень много людей и в котором использовался этот термин, привел к тому, что название прижилось.

По другой версии, все началось со статьи Стивена Вайнберга, опубликованной в 1967 году. Когда в 1964 году вышли оригинальные статьи о спонтанном нарушении симметрии в калибровочных теориях, об этом размышляло не так много физиков, но в 1971 году после прорыва Хоофта многие поспешили заняться этой темой. Статья Вайнберга была хорошей отправной точкой, в ней содержались ссылки на все три статьи Хиггса, а также статьи Энглера и Браута и Хагена, Гуральника и Киббла. Однако в списке литературы Хиггс стоял на первом месте. Так получилось по ошибке: названия журналов Physical Review Letters (где появилась вторая статья Хиггса) и Physical Letters (где была напечатана статья Энглера и Браута) были перепутаны. Иногда такие незначительные ляпсусы имеют далеко идущие последствия.

Но, пожалуй, самое главное, что название «бозон Хиггса» – очень подходящее имя для частицы, ведь именно в статье Хиггса впервые было обращено пристальное внимание на частицу-бозон, а не на «механизм», благодаря которому он возник. Кто-то скажет, что этого не достаточно, но, впрочем, какова альтернатива? Возможно, в первые дни был шанс придумать название, не связанное с конкретным человеком, например, «радиальный бозон» или «реликон», поскольку этот бозон – единственный сохранившийся след процесса нарушения симметрии. Название «электрослабый бозон» тоже могло подойти, хотя была опасность спутать его с W– и Z-бозонами, поэтому наиболее точным было бы название «электрослабый скалярный бозон».

Но при отсутствии таких предложений (не сказать, что эти предложения очень хороши), трудно установить справедливость названием. Сам Хиггс называет эту частицу «бозоном, которому было дано мое имя», а иногда и ссылается на «АБЭГХХКХ механизм» – по первым буквам фамилий Андерсона, Браута, Энглера, Гуральника, Хагена, Хиггса, Киббла и Хоофта. Джо Ликкен из Фермилаба предпочел Намбу Хоофту и придумал аббревиатуру «ХЭХКБАНГ», которая по крайней мере не так труднопроизносима, но от этого не стала более привлекательной. Ликкен сам признался, что «это было бы глупым названием».

В конечном счете следует признать, что название частицы – это просто ярлык. Оно не может и не должно описывать полную и справедливую историю развития идеи. Мы можем назвать частицу и бозоном Хиггса, понимая, что Хиггс – не единственный, кто заслуживает славы. (Учитывая наличие финансовых проблем в современной физике частиц, мне кажется, что название можно было бы успешно продать примерно за $10 миллиардов. И тогда бозон назывался бы, к примеру, «бозон Макдональдса» или еще кого-нибудь.)

 

Приговор истории

Как мы уже рассказывали, Намбу и Голдстоун помогли нам понять многое про спонтанное нарушение симметрии, но сами ограничились случаем глобальных симметрий. Андерсон отметил, что калибровочные симметрии отличаются от глобальных и, в частности, не приводят к появлению каких бы то ни было остаточных безмассовых частиц, но не построил чистой релятивистской модели. Это сделали независимо Энглер с Браутом, Хиггс и Гуральник с Хагеном и Кибблом. Все три группы шли немного разными путями, но получили в основном одни и те же ответы, и все они заслуживают почестей. Это же можно сказать о Хоофте, который показал, что теория была непротиворечива в математическом смысле.

По традиции Нобелевская премия (кроме премии мира) дается определенным людям, а не группам, и не более чем трем ученым в течение одного года. Нет сомнений, что кандидаты борются за премии, по крайней мере неявно. Вельтман и Хоофт уже получили Нобелевскую премию за работы по перенормируемой электрослабой теории. Андерсон тоже уже получил Нобелевскую премию, правда за совсем другое, но на самом деле это уменьшило его шансы на вторую премию (даже если бы он оказался в этой области первым). Роберт Браут скончался в 2011 году, а премию Нобеля посмертно не дают.

В 2004 году премия Вольфа по физике, которую иногда считают второй по престижности наградой после Нобеля, была присуждена Энглеру, Брауту и Хиггсу, но Гуральник, Хаген и Киббл ее не получили. На конференции во Франции в 2010 году, названной «Охота на Хиггса», на рекламном постере в качестве создателей теории значились только Браут, Энглер и Хиггс, а ГХК вообще не упоминались. Это вызвало определенное недовольство, и группа поддержки англо-американской команды даже угрожала конференции бойкотом. Организатор конференции Грегорио Бернарди выразил по этому поводу недоумение и сказал, что «организаторы не ожидали, что люди так серьезно отнесутся к этому вопросу», что кажется по меньшей мере некоторым лукавством, поскольку если устроители конференции посчитали нужным добавить к названию бозона, всем известного как «бозон Хиггса», еще и имена Энглера и Браута, то не должны были удивиться, что Гуральник, Хаген и Киббл (или их сторонники) расстроились. Часть обиженных успокоилась, когда Американское физическое общество наградило премией Сакураи в области теоретической физики за 2010 год Хагена, Энглера, Гуральника, Хиггса, Браута и Киббла – именно в таком порядке, который, кажется, был выбран специально, чтобы невозможно было никому пожаловаться (кроме Андерсона, который, возможно, и имел на то определенные основания).

Однажды Андерсон печально заметил: «Если вы хотите, чтобы история была написано правдиво и подробно, пишите ее сами». За последние несколько лет Гуральник, Хиггс, Киббл и Браут с Энглером – все написали воспоминания о своей работе в 1964 году, пытаясь представить в правильном свете свой собственный вклад. И вдруг (веяние времени!) по этому поводу разгорелась полемика в Википедии. В августе 2009 года пользователь, известный под ником «Мэри из ЦЕРНа», сделал новую запись, называвшуюся «1964 PRL (Physical Review Letters). Статьи по нарушению симметрии». В Википедии уже имелись отдельные статьи по темам: «Спонтанное нарушение симметрии», «Механизм Хиггса» и другие. В этой новой статье обсуждался вопрос о том, кому какие заслуги следует приписать, причем разбирались статьи всех авторов. Свое отношение автор выразил такими словами: «Первыми (на пару месяцев раньше) были опубликованы статьи Хиггса и Браута-Энглера, но ими решена лишь половина проблемы – приписана масса калибровочной частице. Гуральник-Хаген-Киббл, хоть и опубликовали статью пару месяцев спустя, решили более общую проблему: они не только придали массу калибровочной частице, но еще и показали, как избежать выполнения условий теоремы Голдстоуна». Но то, что один человек может написать в Википедии, другой может отредактировать, и текущая версия статьи является немного более беспристрастной.

Мне в общем-то не важно, кто получит Нобелевскую премию за открытие бозона Хиггса, если такое вообще случится. Нет у меня и никакого прогноза. (В 2013 году Нобелевскую премию в области физики за теоретическое обоснование существования бозона Хиггса получили Питер Хиггс и Франсуа Энглер. – Примеч. ред.) Премии тем хороши для науки, что привлекают внимание широкой публики к интересной работе, которая иначе могла бы остаться незамеченной. Но премии в науке не главное. Самая главная награда для ученого – открытие нового механизма или явления, и это гораздо больше, чем любая премия, которую может дать Нобелевский комитет.

По-настоящему обидно то, что никто из экспериментаторов не может получить Нобелевскую премию за экспериментальное обнаружение бозона. Тут количественная проблема: слишком много людей внесли вклад в эту работу, и просто невозможно выбрать из них одного, двух или трех самых достойных. Одним из достижений, безусловно достойных Нобелевской премии, является успешное сооружение самого БАКа, так что Лин Эванс был бы вполне достойным кандидатом на премию. Мне кажется, Нобелевскому комитету стоит подумать об ослаблении требований, запрещающих присуждать премию по любой науке коллаборациям, и тот, кто сумеет изменить эти правила, заслуживает, по-моему, премии мира.