Страница:
Вскоре физики сделали более аккуратное вычисление лэмбовского сдвига
[86], включавшее процессы с позитронами и другие релятивистские эффекты. Важность этих расчетов была не столько в том, что получился более аккуратный результат, а в том, что была решена проблема бесконечностей; оказалось, что все бесконечности благополучно сокращаются без всякого произвольного отбрасывания вкладов виртуальных фотонов высоких энергий.
Как говорил Ницше, «все то, что нас не убивает, делает нас сильнее» [87]. Проблемы бесконечностей почти загубили квантовую электродинамику, но затем она была спасена благодаря идее сокращения бесконечностей с помощью переопределения или перенормировкимассы и заряда электрона. Однако для того, чтобы можно было решить проблему бесконечностей указанным способом, необходимо, чтобы они возникали в процессе вычислений в небольшом числе строго определенных случаев, соответствующих ограниченному классу специальных простых квантовых теорий поля. Такие теории называются перенормируемыми. Простейшая версия квантовой электродинамики перенормируема в указанном смысле, однако любое малейшее изменение разрушает это свойство и приводит к такому варианту теории, когда бесконечности не могут быть сокращены путем переопределения констант. Таким образом, квантовая электродинамика не только математически удовлетворительна и согласуется с экспериментом, но и содержит в самой себе объяснение своей структуры: любое небольшое изменение в теории приводит не только к расхождению с опытом, но к вообще абсурдным результатам – бесконечным значениям экспериментально хорошо определенных величин.
Проделанные в 1948 г. вычисления лэмбовского сдвига были ужасно сложными. Дело в том, что хотя вычисления и включали позитроны, но сам сдвиг представлялся в виде суммы слагаемых, каждое из которых нарушало требования специальной теории относительности, так что только окончательный ответ был с ней совместим. Тем временем Ричард Фейнман, Джулиан Швингер и Синитиро Томонага независимо разработали намного более простые методы вычислений, на каждом шаге совместимых с теорией относительности. Новая техника была использована для других вычислений, многие из которых оказались во впечатляющем согласии с опытом. Например, электрон создает в окружающем пространстве крохотное по величине магнитное поле. Это поле было первоначально вычислено в 1928 г. Дираком с помощью созданной им релятивистской квантовой теории электрона. Сразу же после конференции в Шелтер Айленде Швингер опубликовал результаты приближенных вычислений изменения величины напряженности магнитного поля электрона, связанного с процессами испускания и обратного поглощения виртуальных фотонов. С тех пор это вычисление неоднократно уточнялось [88]. Современный результат состоит в том, что за счет процессов испускания и последующего поглощения фотонов и ряда других процессов магнитное поле электрона увеличивается в 1,00115965214 раз по сравнению со старым предсказанием Дирака, не учитывающим эти процессы (ошибка приведенного значения равна ±3 в последнем знаке). Как раз в то время, когда Швингер сделал свои вычисления, группа И. Раби в Колумбийском университете экспериментально установила, что магнитное поле электрона на самом деле несколько больше старого дираковского значения, причем на величину, предсказанную Швингером. Последний экспериментальный результат таков: магнитное поле электрона больше дираковского значения в 1,001159652188 раз (ошибка ±4 в последнем знаке). Такое количественное согласие теории и эксперимента является, вероятно, самым впечатляющим во всей современной науке. Неудивительно, что после таких успехов квантовая электродинамика в ее простейшей перенормируемой версии стала восприниматься как правильная теория фотонов и электронов. И все же, несмотря на экспериментальные подтверждения теории и даже несмотря на то, что все бесконечности в ней сокращались, если только правильно с ними обращаться, тот факт, что эти бесконечности вообще возникают, вызывал непрестанное ворчание по поводу применимости квантовой электродинамики и подобных теорий. В частности, Дирак всегда сравнивал процедуру перенормировки с заметанием мусора под ковер. Я не соглашался с Дираком и вел с ним дискуссии на конференциях в Корал Гейбл и Лейк Констанс. Учет разницы между голыми массой и зарядом и их измеряемыми значениями – это не просто трюк, позволяющий избавиться от бесконечностей. Подобную процедуру мы обязаны совершать и тогда, когда все величины конечны. Здесь нет ничего произвольного, берущегося с потолка, это просто вопрос корректного определения того, что же мы в действительности измеряем в лаборатории, когда пытаемся определить на опыте массу и заряд электрона. Я не видел ничего ужасного в бесконечных значениях голых массы и заряда [89], если только окончательные результаты для физических величин оказываются конечными и однозначными, да еще и согласующимися с опытом. Мне казалось, что столь успешная теория, как квантовая электродинамика, должна быть более или менее правильной, хотя, возможно, и сформулированной не самым лучшим образом. Дирак оставался непоколебимым. Я до сих пор не согласен с его отношением к квантовой электродинамике, хотя не думаю, что он был просто упрямцем, требование, чтобы теория была полностью конечной, аналогично множеству других эстетических требований, которые всегда выдвигаются физиками-теоретиками.
Мой третий рассказ посвящен развитию и окончательному признанию современной теории слабых ядерных сил. В повседневной жизни эти силы не так важны, как электрические, магнитные или гравитационные, но они играют существенную роль в цепочке ядерных реакций, за счет которых в сердцевинах звезд выделяется энергия и происходит образование различных химических элементов.
Впервые слабые ядерные силы обнаружились в явлении радиоактивности, открытом в 1896 г. Анри Беккерелем. В 1930-е гг. стало понятно, что в том конкретном типе радиоактивности, который обнаружил Беккерель, а именно в бета-распаде ядер, слабая ядерная сила заставляет нейтрон внутри ядра превращаться в протон, одновременно образуя электрон и еще одну частицу, известную сейчас как антинейтрино, которые вылетают из ядра. Подобный процесс не может происходить за счет сил других типов. Сильная ядерная сила, удерживающая протоны и нейтроны вместе внутри ядра, и электромагнитная сила, отталкивающая протоны внутри ядра друг от друга, не способны изменить тип этих частиц. Тем более это не может сделать гравитационная сила. Таким образом, наблюдение превращения нейтронов в протоны или протонов в нейтроны свидетельствует о новом типе сил в природе. Как следует из названия, слабые ядерные силы много слабее электромагнитных сил или сильных ядерных сил. Это вытекает, в частности, из того, что ядерный бета-распад происходит очень медленно – самые быстрые из этих распадов происходят в среднем за одну сотую долю секунды, что невероятно медленно по сравнению с типичной длительностью процессов, вызванных сильными ядерными силами, составляющей величину порядка 10 ?23с.
В 1933 г. Энрико Ферми сделал первый важный шаг по пути построения теории этой новой силы. В предложенной Ферми теории слабая ядерная сила не действует на расстоянии, как гравитационная или электромагнитная силы, а превращает нейтрон в протон, одновременно создавая в той же точке пространства электрон и антинейтрино. Последовало четверть века усилий экспериментаторов, потраченных на то, чтобы связать концы с концами в теории Ферми. Главным невыясненным вопросом был вопрос о том, как слабая сила зависит от относительной ориентации спинов частиц, участвующих в процессе. В 1957 г. это было наконец установлено, и теория Ферми приняла окончательный вид [90].
После решительного прорыва, совершенного в 1957 г., казалось, уже не осталось никаких проблем в нашем понимании слабой ядерной силы. И все же, хотя мы имели теорию, способную дать численный ответ для любого наблюдаемого на опыте явления, связанного со слабой силой, сама теория казалась физикам в высшей степени неудовлетворительной. Многие из нас в тяжких трудах пытались улучшить теорию и придать ей смысл.
Недостатки теории Ферми были связаны не с экспериментом, а с самой теорией. Прежде всего, хотя теория хорошо описывала ядерный бета-распад, она приводила к бессмысленным результатам для более экзотических процессов. Теоретики пытались задавать совершенно осмысленные вопросы, например, какова вероятность рассеяния нейтрино при столкновении с электроном. Когда же они пытались вычислить эту вероятность (принимая во внимание испускание и последующее поглощение нейтрона и антипротона), ответ оказывался бесконечным. Как вы понимаете, сами подобные эксперименты еще не были проделаны, но вычисления давали такие результаты, которые никогда не могли бы быть согласованы с каким бы то ни было опытом. Как мы уже видели, в 1930-е гг. подобные бесконечности были обнаружены Оппенгеймером и другими в теории электромагнитных сил, но в конце 1940-х гг. теоретики обнаружили, что все эти бесконечности в квантовой электродинамике сокращаются при правильном определении или «перенормировке» массы и заряда электрона. Чем больше физики узнавали о свойствах слабых сил, тем яснее становилось, что бесконечности в теории Ферми подобным образом не сокращаются – теория была неперенормируемой.
Но была и другая трудность в теории слабых сил – она содержала слишком много произвольных параметров. Существенные характеристики слабой силы более или менее непосредственно извлекались из эксперимента и могли варьироваться в широких пределах без нарушения каких-либо известных физических принципов.
В течение долгого времени, начиная со старших курсов университета, я так и сяк пытался работать над теорией слабых сил, но в 1967 г. меня увлекли проблемы сильных ядерных сил, удерживающих протоны и нейтроны внутри атомных ядер. Я пытался развить теорию сильного взаимодействия по аналогии с квантовой электродинамикой [91]. Мне казалось, что различие между сильными ядерными силами и электромагнетизмом можно объяснить с помощью явления, известного под названием нарушение симметрии(ниже я объясню, что это такое). Моя идея не сработала. Силы сильного взаимодействия в развитой мной теории были совершенно не похожи на те, которые известны нам из опыта. Но затем внезапно до меня дошло, что идеи, оказавшиеся совершенно непригодными для объяснения сильных взаимодействий, дают математическую основу теории слабой ядерной силы, содержащую все, что только можно пожелать. Я увидел возможность построения теории слабой силы, аналогичной квантовой электродинамике. Точно так же, как электромагнитная сила между зарядами, находящимися на расстоянии друг от друга, обусловлена обменом фотонами, так и слабая сила проявляет свое действие не в какой-то одной точке пространства (как в теории Ферми), а порождается обменом фотоноподобными частицами между частицами материи, находящимися в разных точках. Эти новые фотоноподобные частицы не могут быть безмассовыми как фотоны (один из аргументов заключается в том, если бы они были безмассовыми, их бы давно обнаружили), но они вводятся в теорию способом, настолько похожим на тот, благодаря которому в квантовой электродинамике возникают фотоны, что я подумал: а не будет ли такая теория перенормируемой в том же смысле, что и квантовая электродинамика, т.е. не сократятся ли все бесконечности за счет переопределения масс и других параметров теории. Кроме того, вид теории сильно зависел от положенных в основу принципов, поэтому можно было в значительной степени избежать того произвола, который существовал в предыдущих теориях.
Мне удалось построить конкретный вариант подобной теории, т.е. написать определенную систему уравнений, определяющих закон взаимодействия частиц друг с другом и сводящихся в приближении малых энергий к теории Ферми. Хотя вначале у меня и в мыслях не было ничего подобного, но в процессе работы я обнаружил, что построенная мной теория оказалась не просто теорией слабой силы, развитой на базе аналогии с электромагнетизмом; эта теория оказалась единой теорией электромагнитных и слабых сил, которые, как выяснилось, суть две разные ипостаси одной и той же силы, которую сейчас принято называть электрослабойсилой. Фундаментальная частица фотон, испускание и поглощение которого порождает электромагнитные силы, оказался тесными узами связан в одно семейство с другими фотоноподобными частицами, существование которых предсказывала теория: электрически заряженными частицами W, обмен которыми порождает силы, ответственные за бета-радиоактивность, и нейтральной частицей Z, о которой я расскажу чуть ниже. (Частицы Wдавно фигурировали в разных теориях, пытавшихся объяснить слабые силы; само обозначение Wпроисходит от слова weak– слабый. Я выбрал для обозначения нейтральной частицы букву Z, так как эта частица имеет нулевой ( zero) электрический заряд, и, кроме того, потому что Z– последняя буква в английском алфавите, а я надеялся, что эта частица будет последней в семействе). По существу, такую же теорию независимо построил в 1968 г. пакистанский физик Абдус Салам, работавший тогда в Триесте. Некоторые аспекты этой теории рассматривались в работе Салама и Джона Уорда и еще раньше в работе моего товарища по колледжу и Корнеллскому университету Шелдона Глэшоу.
Таким образом, похоже, удалось объединить слабые и электромагнитные силы. Любому хочется объяснить все больше и больше вещей с помощью все меньшего числа идей, хотя, повторю еще раз, я совершенно не понимал, куда идет дело, когда начинал свои исследования. Но при всем при этом в 1967 г. предложенная теория не давала никаких объяснений ни одной экспериментальной аномалии в физике слабых сил. Не существовало экспериментальной информации, которую могла бы объяснить эта теория, и которая ранее не была бы объяснена в рамках теории Ферми. Поэтому сначала новая теория электрослабых сил не вызвала никакого интереса. Но я не думаю, что теория не заинтересовала других физиков только потому, что не имела экспериментальной поддержки. Не менее важным был чисто теоретический вопрос о внутренней согласованности теории.
И Салам, и я высказали убеждение, что теория устранит проблемы бесконечностей при расчете процессов, обусловленных слабыми силами. Но у нас не хватило сообразительности это доказать. В 1971 г. я получил препринт работы молодого студента-старшекурсника Утрехтского университета по имени Герард ’т Хофт, в которой он утверждал, что наша теория действительно разрешила проблемы бесконечностей: при вычислении наблюдаемых величин эти бесконечности действительно сокращали друг друга, в точности так же, как в квантовой электродинамике.
Сначала работа ’т Хофта меня не убедила. Я никогда не слышал о нем, а разработанный Фейнманом математический прием, использованный в работе, незадолго до этого был мною подвергнут сомнению. Вскоре, однако, я услышал, что теоретик Бен Ли серьезно отнесся к идеям ’т Хофта и попытался получить те же результаты, используя более привычные математические методы. Я знал Бена Ли и очень его уважал – раз уж он счел, что в работе ’т Хофта что-то есть, я не должен ею пренебрегать. (Позднее Бен стал моим лучшим другом и сотрудником. Он трагически погиб в автомобильной катастрофе в 1977 г.) Более внимательно посмотрев на то, что сделал ’т Хофт, я убедился, что он действительно нашел ключ к доказательству сокращения всех бесконечностей.
Хотя все еще не существовало ни малейших экспериментальных свидетельств в пользу электрослабой теории, но именно после работы ’т Хофта она стала частью рабочего аппарата физики. Это как раз тот случай, когда можно с достаточной точностью описать уровень интереса к научной теории. Так случилось, что Институт научной информации опубликовал данные по количеству цитирований моей первой работы по электрослабой теории, как пример того, насколько анализ цитирований может быть полезен при изучении истории науки. Моя статья была опубликована в 1967 г. В том году количество ссылок на нее равнялось нулю [92]. В период 1968–1969 гг. количество ссылок опять равнялось нулю. (В это время и Салам, и я пытались доказать то, что в конце концов удалось ’т Хофту, т.е. что теория свободна от бесконечностей.) В 1970 г. на работу сослались один раз. (Я не знаю, кто это сделал.) В 1971 г., т.е. в том году, когда была сделана работа ’т Хофта, появилось три ссылки, одна из которых принадлежала ’т Хофту. В 1972 г., все еще не имея никакой поддержки со стороны эксперимента, работа внезапно получила 65 ссылок. В 1973 г. число ссылок составило 165, затем это число постепенно возрастало, пока в 1980 г. не составило 330 ссылок. Недавнее исследование того же института показало, что моя работа оказалась самой цитируемой работой по физике элементарных частиц за все предыдущие пятьдесят лет [93].
Открытие, из-за которого физики с самого начала проявили интерес к этой теории, состояло в том, что она решает внутреннюю концептуальную проблему физики частиц – проблему бесконечностей в теории слабых ядерных сил. Ни в 1971, ни в 1972 г. не было ни малейших экспериментальных свидетельств, что эта теория лучше старой теории Ферми.
Затем начали накапливаться и экспериментальные подтверждения. Обмен частицей Zдолжен был породить новый тип слабых ядерных сил, получивших название слабых нейтральных токов, которые должны были проявиться при рассеянии пучков нейтрино на ядрах обычных атомов. (Термин «нейтральный ток» используется потому, что в этих процессах не происходит обмена электрическим зарядом между ядром и другими частицами.) Эксперименты по обнаружению таких процессов рассеяния нейтрино были подготовлены в ЦЕРНе (Европейский центр ядерных исследований) и в лаборатории им. Ферми (Фермилабе) под Чикаго. Требовались значительные финансовые вложения. Каждый эксперимент требовал для своего осуществления труда тридцати–сорока физиков. Подобные опыты не делаются так запросто, если у вас нет ясного понимания того, что вы собираетесь обнаружить. В 1973 г. в ЦЕРНе объявили об открытии слабых нейтральных токов. Вскоре об этом же объявили в Фермилабе. После 1974 г., когда в Фермилабе и ЦЕРНе пришли к согласию относительно результатов экспериментов, научное сообщество пришло к убеждению в справедливости электрослабой теории. Шведская газета Дагенс Нюхетердаже объявила в 1975 г., что Салам и я должны получить в этом году Нобелевскую премию по физике (на самом деле этого не случилось).
Кто-то может спросить, почему признание электрослабой теории было столь быстрым и всеобъемлющим. Конечно, сыграло роль то, что слабые нейтральные токи были предсказаны и затем обнаружены. Разве не это есть тот способ, с помощью которого и устанавливается справедливость какой-то теории? Думаю, что все не так просто.
Прежде всего, нейтральные токи не были чем-то совершенно новым для теории слабых сил. Как-то мне удалось проследить развитие идеи нейтральных токов назад во времени до статьи Георгия Гамова и Эдварда Теллера, которые с помощью вполне разумных доводов предсказали в 1937 г. существование слабых нейтральных токов. Более того, еще в 1960-е гг. имелись экспериментальные свидетельства нейтральных токов, но в них никто не верил: сами экспериментаторы, обнаружившие эти свидетельства, всегда относились к ним, как к «фону». То новое, что появилось в 1973 г. и было очень важно для экспериментаторов, это предсказание, что значения интенсивности нейтральных токов находятся в определенном интервале. Например, в одном типе нейтринных реакций вклад нейтральных токов мог составлять от 15 до 25 % от вклада обычных слабых сил. Такое предсказание позволяло определить чувствительность, необходимую при экспериментальном поиске таких сил. И все же перелом, произошедший в 1973 г., был связан с тем, что теория приобрела несомненные черты внутренней согласованности и жесткости. Это заставило физиков признать, что прогресс в их собственной научной работе связан с признанием правильности теории, а не в ожидании того, что из всего этого получится.
В определенном смысле электрослабая теория получила экспериментальную поддержку до открытия нейтральных токов, так как она правильно воспроизвела все свойства слабых сил, ранее объясненные теорией Ферми, равно как и все свойства электромагнитных сил, которые успешно описывала квантовая электродинамика. Здесь вновь, как и в случае с общей теорией относительности, можно спросить, почему воспроизведение результатов, уже полученных более ранними теориями, рассматривается как успех? Теория Ферми объяснила свойства слабых сил с помощью некоторого числа произвольных гипотез, произвольных в том же смысле, что и закон обратных квадратов для ньютоновской теории тяготения. Электрослабая теория объяснила эти гипотезы (например, зависимость слабых сил от спинов участвующих во взаимодействии частиц) значительно более неотразимым образом. Но в такого рода оценках невозможно быть точным: это дело вкуса и опыта.
Неожиданно в 1976 г., через три года после открытия нейтральных токов, возник кризис. Уже не было никаких сомнений относительно существования нейтральных токов, но эксперименты, проделанные в 1976 г., указывали, что некоторые их свойства не соответствуют предсказаниям теории. Отклонения проявились в экспериментах, выполненных независимо в Сиэттле и Оксфорде и связанных с изучением распространения поляризованного света сквозь пары висмута. Еще со времени работы Жана-Батиста Био в 1815 г. было известно, что поляризованный свет, проходя через растворы некоторых сахаров, испытывает вращение плоскости поляризации либо в правую, либо в левую сторону. Например, при прохождении через раствор обычного сахара глюкозы-R, плоскость поляризации света поворачивается направо, а при прохождении через раствор глюкозы-L – налево. Происходит это потому, что молекула глюкозы-R не совпадает со своим зеркальным отражением, молекулой глюкозы-L, точно так же, как перчатка на левую руку отличается от перчатки на правую руку (в то же время шляпа или галстук и их зеркальные отражения выглядят одинаково). Казалось бы, при прохождении поляризованного света через газ, состоящий из отдельных атомов веществ типа висмута, не должно происходить такого вращения плоскости поляризации. Однако электрослабая теория предсказывает асимметрию между правым и левым в слабых взаимодействиях электронов с атомными ядрами, обусловленных обменом Z-частицей, что придает таким атомам свойства, похожие на свойства перчатки или молекулы сахара при отражении в зеркале. (Ожидалось, что эффект будет особенно велик для атомов висмута из-за специфики строения их энергетических уровней.) Расчеты показывали, что лево-правая асимметрия в атоме висмута должна приводить к медленному вращению плоскости поляризации проходящего через пары висмута света в левую сторону. К своему удивлению, экспериментаторы в Оксфорде и Сиэттле не смогли обнаружить такое вращение и сообщили, что если оно и существует, то скорость вращения должна быть намного меньше, чем предсказывает теория.
Это поистине напоминало взрыв бомбы. Казалось, что эксперименты свидетельствовали, что та конкретная версия теории, которую независимо разработали в 1967–1968 гг. Салам и я, оказалась неверной в деталях. Но я не был готов отказаться от общих идей электрослабой теории. Еще начиная с появления работы ’т Хофта в 1971 г., я был совершенно убежден в правильности основных положений теории, а ту версию, которую построили Салам и я, рассматривал как одну из конкретных простых реализаций. Например, могли быть и другие члены в семействе частиц, образованном фотоном и частицами Wи Z, или другие частицы, связанные с электроном и нейтрино. Еще задолго до этой истории Пьер Дюгем и У. ван Куин отмечали, что никакая научная теория не может быть полностью отвергнута сравнением с экспериментальными данными, так как всегда есть возможность таких манипуляций с теорией или введения таких дополнительных предположений, которые приведут к согласию теории и эксперимента. Просто в какой-то момент исследователь должен решить, не являются ли те дополнения, которые необходимо ввести, чтобы избежать конфликта с опытом, слишком уродливыми, чтобы в них можно было поверить.
Как говорил Ницше, «все то, что нас не убивает, делает нас сильнее» [87]. Проблемы бесконечностей почти загубили квантовую электродинамику, но затем она была спасена благодаря идее сокращения бесконечностей с помощью переопределения или перенормировкимассы и заряда электрона. Однако для того, чтобы можно было решить проблему бесконечностей указанным способом, необходимо, чтобы они возникали в процессе вычислений в небольшом числе строго определенных случаев, соответствующих ограниченному классу специальных простых квантовых теорий поля. Такие теории называются перенормируемыми. Простейшая версия квантовой электродинамики перенормируема в указанном смысле, однако любое малейшее изменение разрушает это свойство и приводит к такому варианту теории, когда бесконечности не могут быть сокращены путем переопределения констант. Таким образом, квантовая электродинамика не только математически удовлетворительна и согласуется с экспериментом, но и содержит в самой себе объяснение своей структуры: любое небольшое изменение в теории приводит не только к расхождению с опытом, но к вообще абсурдным результатам – бесконечным значениям экспериментально хорошо определенных величин.
Проделанные в 1948 г. вычисления лэмбовского сдвига были ужасно сложными. Дело в том, что хотя вычисления и включали позитроны, но сам сдвиг представлялся в виде суммы слагаемых, каждое из которых нарушало требования специальной теории относительности, так что только окончательный ответ был с ней совместим. Тем временем Ричард Фейнман, Джулиан Швингер и Синитиро Томонага независимо разработали намного более простые методы вычислений, на каждом шаге совместимых с теорией относительности. Новая техника была использована для других вычислений, многие из которых оказались во впечатляющем согласии с опытом. Например, электрон создает в окружающем пространстве крохотное по величине магнитное поле. Это поле было первоначально вычислено в 1928 г. Дираком с помощью созданной им релятивистской квантовой теории электрона. Сразу же после конференции в Шелтер Айленде Швингер опубликовал результаты приближенных вычислений изменения величины напряженности магнитного поля электрона, связанного с процессами испускания и обратного поглощения виртуальных фотонов. С тех пор это вычисление неоднократно уточнялось [88]. Современный результат состоит в том, что за счет процессов испускания и последующего поглощения фотонов и ряда других процессов магнитное поле электрона увеличивается в 1,00115965214 раз по сравнению со старым предсказанием Дирака, не учитывающим эти процессы (ошибка приведенного значения равна ±3 в последнем знаке). Как раз в то время, когда Швингер сделал свои вычисления, группа И. Раби в Колумбийском университете экспериментально установила, что магнитное поле электрона на самом деле несколько больше старого дираковского значения, причем на величину, предсказанную Швингером. Последний экспериментальный результат таков: магнитное поле электрона больше дираковского значения в 1,001159652188 раз (ошибка ±4 в последнем знаке). Такое количественное согласие теории и эксперимента является, вероятно, самым впечатляющим во всей современной науке. Неудивительно, что после таких успехов квантовая электродинамика в ее простейшей перенормируемой версии стала восприниматься как правильная теория фотонов и электронов. И все же, несмотря на экспериментальные подтверждения теории и даже несмотря на то, что все бесконечности в ней сокращались, если только правильно с ними обращаться, тот факт, что эти бесконечности вообще возникают, вызывал непрестанное ворчание по поводу применимости квантовой электродинамики и подобных теорий. В частности, Дирак всегда сравнивал процедуру перенормировки с заметанием мусора под ковер. Я не соглашался с Дираком и вел с ним дискуссии на конференциях в Корал Гейбл и Лейк Констанс. Учет разницы между голыми массой и зарядом и их измеряемыми значениями – это не просто трюк, позволяющий избавиться от бесконечностей. Подобную процедуру мы обязаны совершать и тогда, когда все величины конечны. Здесь нет ничего произвольного, берущегося с потолка, это просто вопрос корректного определения того, что же мы в действительности измеряем в лаборатории, когда пытаемся определить на опыте массу и заряд электрона. Я не видел ничего ужасного в бесконечных значениях голых массы и заряда [89], если только окончательные результаты для физических величин оказываются конечными и однозначными, да еще и согласующимися с опытом. Мне казалось, что столь успешная теория, как квантовая электродинамика, должна быть более или менее правильной, хотя, возможно, и сформулированной не самым лучшим образом. Дирак оставался непоколебимым. Я до сих пор не согласен с его отношением к квантовой электродинамике, хотя не думаю, что он был просто упрямцем, требование, чтобы теория была полностью конечной, аналогично множеству других эстетических требований, которые всегда выдвигаются физиками-теоретиками.
* * *
Мой третий рассказ посвящен развитию и окончательному признанию современной теории слабых ядерных сил. В повседневной жизни эти силы не так важны, как электрические, магнитные или гравитационные, но они играют существенную роль в цепочке ядерных реакций, за счет которых в сердцевинах звезд выделяется энергия и происходит образование различных химических элементов.
Впервые слабые ядерные силы обнаружились в явлении радиоактивности, открытом в 1896 г. Анри Беккерелем. В 1930-е гг. стало понятно, что в том конкретном типе радиоактивности, который обнаружил Беккерель, а именно в бета-распаде ядер, слабая ядерная сила заставляет нейтрон внутри ядра превращаться в протон, одновременно образуя электрон и еще одну частицу, известную сейчас как антинейтрино, которые вылетают из ядра. Подобный процесс не может происходить за счет сил других типов. Сильная ядерная сила, удерживающая протоны и нейтроны вместе внутри ядра, и электромагнитная сила, отталкивающая протоны внутри ядра друг от друга, не способны изменить тип этих частиц. Тем более это не может сделать гравитационная сила. Таким образом, наблюдение превращения нейтронов в протоны или протонов в нейтроны свидетельствует о новом типе сил в природе. Как следует из названия, слабые ядерные силы много слабее электромагнитных сил или сильных ядерных сил. Это вытекает, в частности, из того, что ядерный бета-распад происходит очень медленно – самые быстрые из этих распадов происходят в среднем за одну сотую долю секунды, что невероятно медленно по сравнению с типичной длительностью процессов, вызванных сильными ядерными силами, составляющей величину порядка 10 ?23с.
В 1933 г. Энрико Ферми сделал первый важный шаг по пути построения теории этой новой силы. В предложенной Ферми теории слабая ядерная сила не действует на расстоянии, как гравитационная или электромагнитная силы, а превращает нейтрон в протон, одновременно создавая в той же точке пространства электрон и антинейтрино. Последовало четверть века усилий экспериментаторов, потраченных на то, чтобы связать концы с концами в теории Ферми. Главным невыясненным вопросом был вопрос о том, как слабая сила зависит от относительной ориентации спинов частиц, участвующих в процессе. В 1957 г. это было наконец установлено, и теория Ферми приняла окончательный вид [90].
После решительного прорыва, совершенного в 1957 г., казалось, уже не осталось никаких проблем в нашем понимании слабой ядерной силы. И все же, хотя мы имели теорию, способную дать численный ответ для любого наблюдаемого на опыте явления, связанного со слабой силой, сама теория казалась физикам в высшей степени неудовлетворительной. Многие из нас в тяжких трудах пытались улучшить теорию и придать ей смысл.
Недостатки теории Ферми были связаны не с экспериментом, а с самой теорией. Прежде всего, хотя теория хорошо описывала ядерный бета-распад, она приводила к бессмысленным результатам для более экзотических процессов. Теоретики пытались задавать совершенно осмысленные вопросы, например, какова вероятность рассеяния нейтрино при столкновении с электроном. Когда же они пытались вычислить эту вероятность (принимая во внимание испускание и последующее поглощение нейтрона и антипротона), ответ оказывался бесконечным. Как вы понимаете, сами подобные эксперименты еще не были проделаны, но вычисления давали такие результаты, которые никогда не могли бы быть согласованы с каким бы то ни было опытом. Как мы уже видели, в 1930-е гг. подобные бесконечности были обнаружены Оппенгеймером и другими в теории электромагнитных сил, но в конце 1940-х гг. теоретики обнаружили, что все эти бесконечности в квантовой электродинамике сокращаются при правильном определении или «перенормировке» массы и заряда электрона. Чем больше физики узнавали о свойствах слабых сил, тем яснее становилось, что бесконечности в теории Ферми подобным образом не сокращаются – теория была неперенормируемой.
Но была и другая трудность в теории слабых сил – она содержала слишком много произвольных параметров. Существенные характеристики слабой силы более или менее непосредственно извлекались из эксперимента и могли варьироваться в широких пределах без нарушения каких-либо известных физических принципов.
В течение долгого времени, начиная со старших курсов университета, я так и сяк пытался работать над теорией слабых сил, но в 1967 г. меня увлекли проблемы сильных ядерных сил, удерживающих протоны и нейтроны внутри атомных ядер. Я пытался развить теорию сильного взаимодействия по аналогии с квантовой электродинамикой [91]. Мне казалось, что различие между сильными ядерными силами и электромагнетизмом можно объяснить с помощью явления, известного под названием нарушение симметрии(ниже я объясню, что это такое). Моя идея не сработала. Силы сильного взаимодействия в развитой мной теории были совершенно не похожи на те, которые известны нам из опыта. Но затем внезапно до меня дошло, что идеи, оказавшиеся совершенно непригодными для объяснения сильных взаимодействий, дают математическую основу теории слабой ядерной силы, содержащую все, что только можно пожелать. Я увидел возможность построения теории слабой силы, аналогичной квантовой электродинамике. Точно так же, как электромагнитная сила между зарядами, находящимися на расстоянии друг от друга, обусловлена обменом фотонами, так и слабая сила проявляет свое действие не в какой-то одной точке пространства (как в теории Ферми), а порождается обменом фотоноподобными частицами между частицами материи, находящимися в разных точках. Эти новые фотоноподобные частицы не могут быть безмассовыми как фотоны (один из аргументов заключается в том, если бы они были безмассовыми, их бы давно обнаружили), но они вводятся в теорию способом, настолько похожим на тот, благодаря которому в квантовой электродинамике возникают фотоны, что я подумал: а не будет ли такая теория перенормируемой в том же смысле, что и квантовая электродинамика, т.е. не сократятся ли все бесконечности за счет переопределения масс и других параметров теории. Кроме того, вид теории сильно зависел от положенных в основу принципов, поэтому можно было в значительной степени избежать того произвола, который существовал в предыдущих теориях.
Мне удалось построить конкретный вариант подобной теории, т.е. написать определенную систему уравнений, определяющих закон взаимодействия частиц друг с другом и сводящихся в приближении малых энергий к теории Ферми. Хотя вначале у меня и в мыслях не было ничего подобного, но в процессе работы я обнаружил, что построенная мной теория оказалась не просто теорией слабой силы, развитой на базе аналогии с электромагнетизмом; эта теория оказалась единой теорией электромагнитных и слабых сил, которые, как выяснилось, суть две разные ипостаси одной и той же силы, которую сейчас принято называть электрослабойсилой. Фундаментальная частица фотон, испускание и поглощение которого порождает электромагнитные силы, оказался тесными узами связан в одно семейство с другими фотоноподобными частицами, существование которых предсказывала теория: электрически заряженными частицами W, обмен которыми порождает силы, ответственные за бета-радиоактивность, и нейтральной частицей Z, о которой я расскажу чуть ниже. (Частицы Wдавно фигурировали в разных теориях, пытавшихся объяснить слабые силы; само обозначение Wпроисходит от слова weak– слабый. Я выбрал для обозначения нейтральной частицы букву Z, так как эта частица имеет нулевой ( zero) электрический заряд, и, кроме того, потому что Z– последняя буква в английском алфавите, а я надеялся, что эта частица будет последней в семействе). По существу, такую же теорию независимо построил в 1968 г. пакистанский физик Абдус Салам, работавший тогда в Триесте. Некоторые аспекты этой теории рассматривались в работе Салама и Джона Уорда и еще раньше в работе моего товарища по колледжу и Корнеллскому университету Шелдона Глэшоу.
Таким образом, похоже, удалось объединить слабые и электромагнитные силы. Любому хочется объяснить все больше и больше вещей с помощью все меньшего числа идей, хотя, повторю еще раз, я совершенно не понимал, куда идет дело, когда начинал свои исследования. Но при всем при этом в 1967 г. предложенная теория не давала никаких объяснений ни одной экспериментальной аномалии в физике слабых сил. Не существовало экспериментальной информации, которую могла бы объяснить эта теория, и которая ранее не была бы объяснена в рамках теории Ферми. Поэтому сначала новая теория электрослабых сил не вызвала никакого интереса. Но я не думаю, что теория не заинтересовала других физиков только потому, что не имела экспериментальной поддержки. Не менее важным был чисто теоретический вопрос о внутренней согласованности теории.
И Салам, и я высказали убеждение, что теория устранит проблемы бесконечностей при расчете процессов, обусловленных слабыми силами. Но у нас не хватило сообразительности это доказать. В 1971 г. я получил препринт работы молодого студента-старшекурсника Утрехтского университета по имени Герард ’т Хофт, в которой он утверждал, что наша теория действительно разрешила проблемы бесконечностей: при вычислении наблюдаемых величин эти бесконечности действительно сокращали друг друга, в точности так же, как в квантовой электродинамике.
Сначала работа ’т Хофта меня не убедила. Я никогда не слышал о нем, а разработанный Фейнманом математический прием, использованный в работе, незадолго до этого был мною подвергнут сомнению. Вскоре, однако, я услышал, что теоретик Бен Ли серьезно отнесся к идеям ’т Хофта и попытался получить те же результаты, используя более привычные математические методы. Я знал Бена Ли и очень его уважал – раз уж он счел, что в работе ’т Хофта что-то есть, я не должен ею пренебрегать. (Позднее Бен стал моим лучшим другом и сотрудником. Он трагически погиб в автомобильной катастрофе в 1977 г.) Более внимательно посмотрев на то, что сделал ’т Хофт, я убедился, что он действительно нашел ключ к доказательству сокращения всех бесконечностей.
Хотя все еще не существовало ни малейших экспериментальных свидетельств в пользу электрослабой теории, но именно после работы ’т Хофта она стала частью рабочего аппарата физики. Это как раз тот случай, когда можно с достаточной точностью описать уровень интереса к научной теории. Так случилось, что Институт научной информации опубликовал данные по количеству цитирований моей первой работы по электрослабой теории, как пример того, насколько анализ цитирований может быть полезен при изучении истории науки. Моя статья была опубликована в 1967 г. В том году количество ссылок на нее равнялось нулю [92]. В период 1968–1969 гг. количество ссылок опять равнялось нулю. (В это время и Салам, и я пытались доказать то, что в конце концов удалось ’т Хофту, т.е. что теория свободна от бесконечностей.) В 1970 г. на работу сослались один раз. (Я не знаю, кто это сделал.) В 1971 г., т.е. в том году, когда была сделана работа ’т Хофта, появилось три ссылки, одна из которых принадлежала ’т Хофту. В 1972 г., все еще не имея никакой поддержки со стороны эксперимента, работа внезапно получила 65 ссылок. В 1973 г. число ссылок составило 165, затем это число постепенно возрастало, пока в 1980 г. не составило 330 ссылок. Недавнее исследование того же института показало, что моя работа оказалась самой цитируемой работой по физике элементарных частиц за все предыдущие пятьдесят лет [93].
Открытие, из-за которого физики с самого начала проявили интерес к этой теории, состояло в том, что она решает внутреннюю концептуальную проблему физики частиц – проблему бесконечностей в теории слабых ядерных сил. Ни в 1971, ни в 1972 г. не было ни малейших экспериментальных свидетельств, что эта теория лучше старой теории Ферми.
Затем начали накапливаться и экспериментальные подтверждения. Обмен частицей Zдолжен был породить новый тип слабых ядерных сил, получивших название слабых нейтральных токов, которые должны были проявиться при рассеянии пучков нейтрино на ядрах обычных атомов. (Термин «нейтральный ток» используется потому, что в этих процессах не происходит обмена электрическим зарядом между ядром и другими частицами.) Эксперименты по обнаружению таких процессов рассеяния нейтрино были подготовлены в ЦЕРНе (Европейский центр ядерных исследований) и в лаборатории им. Ферми (Фермилабе) под Чикаго. Требовались значительные финансовые вложения. Каждый эксперимент требовал для своего осуществления труда тридцати–сорока физиков. Подобные опыты не делаются так запросто, если у вас нет ясного понимания того, что вы собираетесь обнаружить. В 1973 г. в ЦЕРНе объявили об открытии слабых нейтральных токов. Вскоре об этом же объявили в Фермилабе. После 1974 г., когда в Фермилабе и ЦЕРНе пришли к согласию относительно результатов экспериментов, научное сообщество пришло к убеждению в справедливости электрослабой теории. Шведская газета Дагенс Нюхетердаже объявила в 1975 г., что Салам и я должны получить в этом году Нобелевскую премию по физике (на самом деле этого не случилось).
Кто-то может спросить, почему признание электрослабой теории было столь быстрым и всеобъемлющим. Конечно, сыграло роль то, что слабые нейтральные токи были предсказаны и затем обнаружены. Разве не это есть тот способ, с помощью которого и устанавливается справедливость какой-то теории? Думаю, что все не так просто.
Прежде всего, нейтральные токи не были чем-то совершенно новым для теории слабых сил. Как-то мне удалось проследить развитие идеи нейтральных токов назад во времени до статьи Георгия Гамова и Эдварда Теллера, которые с помощью вполне разумных доводов предсказали в 1937 г. существование слабых нейтральных токов. Более того, еще в 1960-е гг. имелись экспериментальные свидетельства нейтральных токов, но в них никто не верил: сами экспериментаторы, обнаружившие эти свидетельства, всегда относились к ним, как к «фону». То новое, что появилось в 1973 г. и было очень важно для экспериментаторов, это предсказание, что значения интенсивности нейтральных токов находятся в определенном интервале. Например, в одном типе нейтринных реакций вклад нейтральных токов мог составлять от 15 до 25 % от вклада обычных слабых сил. Такое предсказание позволяло определить чувствительность, необходимую при экспериментальном поиске таких сил. И все же перелом, произошедший в 1973 г., был связан с тем, что теория приобрела несомненные черты внутренней согласованности и жесткости. Это заставило физиков признать, что прогресс в их собственной научной работе связан с признанием правильности теории, а не в ожидании того, что из всего этого получится.
В определенном смысле электрослабая теория получила экспериментальную поддержку до открытия нейтральных токов, так как она правильно воспроизвела все свойства слабых сил, ранее объясненные теорией Ферми, равно как и все свойства электромагнитных сил, которые успешно описывала квантовая электродинамика. Здесь вновь, как и в случае с общей теорией относительности, можно спросить, почему воспроизведение результатов, уже полученных более ранними теориями, рассматривается как успех? Теория Ферми объяснила свойства слабых сил с помощью некоторого числа произвольных гипотез, произвольных в том же смысле, что и закон обратных квадратов для ньютоновской теории тяготения. Электрослабая теория объяснила эти гипотезы (например, зависимость слабых сил от спинов участвующих во взаимодействии частиц) значительно более неотразимым образом. Но в такого рода оценках невозможно быть точным: это дело вкуса и опыта.
Неожиданно в 1976 г., через три года после открытия нейтральных токов, возник кризис. Уже не было никаких сомнений относительно существования нейтральных токов, но эксперименты, проделанные в 1976 г., указывали, что некоторые их свойства не соответствуют предсказаниям теории. Отклонения проявились в экспериментах, выполненных независимо в Сиэттле и Оксфорде и связанных с изучением распространения поляризованного света сквозь пары висмута. Еще со времени работы Жана-Батиста Био в 1815 г. было известно, что поляризованный свет, проходя через растворы некоторых сахаров, испытывает вращение плоскости поляризации либо в правую, либо в левую сторону. Например, при прохождении через раствор обычного сахара глюкозы-R, плоскость поляризации света поворачивается направо, а при прохождении через раствор глюкозы-L – налево. Происходит это потому, что молекула глюкозы-R не совпадает со своим зеркальным отражением, молекулой глюкозы-L, точно так же, как перчатка на левую руку отличается от перчатки на правую руку (в то же время шляпа или галстук и их зеркальные отражения выглядят одинаково). Казалось бы, при прохождении поляризованного света через газ, состоящий из отдельных атомов веществ типа висмута, не должно происходить такого вращения плоскости поляризации. Однако электрослабая теория предсказывает асимметрию между правым и левым в слабых взаимодействиях электронов с атомными ядрами, обусловленных обменом Z-частицей, что придает таким атомам свойства, похожие на свойства перчатки или молекулы сахара при отражении в зеркале. (Ожидалось, что эффект будет особенно велик для атомов висмута из-за специфики строения их энергетических уровней.) Расчеты показывали, что лево-правая асимметрия в атоме висмута должна приводить к медленному вращению плоскости поляризации проходящего через пары висмута света в левую сторону. К своему удивлению, экспериментаторы в Оксфорде и Сиэттле не смогли обнаружить такое вращение и сообщили, что если оно и существует, то скорость вращения должна быть намного меньше, чем предсказывает теория.
Это поистине напоминало взрыв бомбы. Казалось, что эксперименты свидетельствовали, что та конкретная версия теории, которую независимо разработали в 1967–1968 гг. Салам и я, оказалась неверной в деталях. Но я не был готов отказаться от общих идей электрослабой теории. Еще начиная с появления работы ’т Хофта в 1971 г., я был совершенно убежден в правильности основных положений теории, а ту версию, которую построили Салам и я, рассматривал как одну из конкретных простых реализаций. Например, могли быть и другие члены в семействе частиц, образованном фотоном и частицами Wи Z, или другие частицы, связанные с электроном и нейтрино. Еще задолго до этой истории Пьер Дюгем и У. ван Куин отмечали, что никакая научная теория не может быть полностью отвергнута сравнением с экспериментальными данными, так как всегда есть возможность таких манипуляций с теорией или введения таких дополнительных предположений, которые приведут к согласию теории и эксперимента. Просто в какой-то момент исследователь должен решить, не являются ли те дополнения, которые необходимо ввести, чтобы избежать конфликта с опытом, слишком уродливыми, чтобы в них можно было поверить.