Страница:
Найденное в конце концов решение проблемы бесконечностей, появившееся в конце 1940-х гг.[83], было значительно более естественным и совсем не революционным. Эта проблема вышла на передний план в начале июня 1947 г. во время конференции, проводившейся в гостинице «Баранья голова» в Шелтер Айленде. Конференция была организована с целью собрать вместе физиков, готовых после войны вновь начать думать над фундаментальными проблемами. Случилось так, что эта конференция стала наиболее важной из всех после знаменитой Сольвеевской конференции, состоявшейся пятнадцатью годами ранее в Брюсселе, когда Эйнштейн и Бор вели битву титанов по поводу будущего квантовой механики.
Среди физиков, принимавших участие в конференции в Шелтер Айленде, был Уиллис Лэмб, молодой экспериментатор из Колумбийского университета. Используя микроволновую радарную технологию, разработанную во время войны, Лэмб сумел как раз перед началом конференции очень точно измерить один из эффектов[84], который пытался еще в 1930 г. рассчитать Оппенгеймер, а именно сдвиг энергии атома водорода благодаря испусканию и последующему поглощению фотона. Этот эффект известен теперь под названием лэмбовского сдвига. Проведенные измерения сами по себе не имели никакого отношения к решению проблемы бесконечностей, но побудили физиков вновь попытаться вступить в схватку с этой задачей, чтобы вычислить измеренное значение лэмбовского сдвига. Найденное тогда решение проблемы определило развитие физики до наших дней.
Ряд теоретиков, принимавших участие в конференции в Шелтер Айленде, уже были наслышаны о результатах Лэмба и приехали на конференцию с готовой идеей того, как можно было бы вычислить лэмбовский сдвиг, пользуясь принципами квантовой электродинамики и обойдя при этом проблему бесконечностей. Рассуждения были таковы. На самом деле тот сдвиг энергии атома, который происходит в результате испускания и последующего поглощения фотонов, не является непосредственно наблюдаемым; в действительности единственной наблюдаемой в эксперименте величиной является полная энергия атома, которая рассчитывается добавлением этого сдвига к той энергии, которую вычислил еще в 1928 г. Дирак. Эта полная энергия зависит от голой массы и голого заряда электрона, т.е. от тех величин, которые входят в уравнения теории до того, как мы начинаем рассматривать проблемы испускания и последующего поглощения фотонов. Но ведь свободные электроны, так же как и электроны, находящиеся в атомах, все время испускают и вновь поглощают фотоны, что влияет на массу и заряд электронов. Поэтому значения голых массы и заряда совсем не равны измеренным на опыте значениям массы и заряда электрона, которые приводятся в таблицах элементарных частиц. На самом деле, чтобы получить наблюдаемые (естественно, конечные) значения массы и заряда электрона, нужно потребовать, чтобы голые масса и заряд были сами бесконечно большими. Таким образом, полная энергия атома представляется в виде суммы двух слагаемых, каждое из которых бесконечно велико: голой энергии, которая бесконечна, так как зависит от бесконечно больших по величине голых массы и заряда, и сдвига энергии, вычисленного Оппенгеймером, который бесконечно велик, так как в него вносят вклад виртуальные фотоны сколь угодно большой энергии. Возникает вопрос: может ли быть так, что две эти бесконечности сокращают друг друга, приводя к конечной полной энергии?[85]
На первый взгляд ответ казался отрицательным. Но Оппенгеймер кое-что проглядел в своих вычислениях. Сдвиг энергии обусловлен не только вкладом процессов, в которых электрон испускает и затем вновь поглощает фотон, но и процессов, в которых спонтанно, из вакуума, рождаются позитрон, фотон и другой электрон, а затем фотон поглощается при аннигиляции позитрона и исходного электрона. На самом деле этот удивительный процесс обязательно должен быть включен в вычисления, чтобы окончательный ответ для энергии атома зависел от его скорости так, как этого требуют законы специальной теории относительности. (Это один из примеров, иллюстрирующих важнейшее утверждение, много лет назад доказанное Дираком, что квантовомеханическая теория электрона совместима с специальной теорией относительности, только если в теории на равных правах рассматривается и позитрон, античастица к электрону.) Одним из теоретиков, присутствовавших на конференции, был Виктор Вайскопф.
Еще в 1936 г. он вычислил вклад в сдвиг энергии за счет процесса с участием позитронов и обнаружил, что этот вклад почти сокращает ту бесконечность, которую получил Оппенгеймер21). Теперь уже было не очень трудно догадаться, что если учесть процессы с позитронами и принять во внимание разницу между голыми массой и зарядом электрона и их наблюдаемыми значениями, то все бесконечности в сдвиге энергии взаимно сократятся.
Хотя Оппенгеймер и Вайскопф присутствовали на конференции в Шелтер Айленде, все же первым теоретиком, вычислившим величину лэмбовского сдвига, стал Ганс Бете, уже известный своими работами по ядерной физике, в том числе описанием в 1930 г. тех цепочек ядерных реакций, которые позволяют звездам светиться. Основываясь на циркулировавших на конференции идеях, Бете в вагоне поезда, увозившего его домой, сделал грубое вычисление величины того сдвига, который измерил Лэмб. Бете еще не владел по-настоящему эффективной техникой вычислений, включающей позитроны и учитывающей другие эффекты специальной теории относительности, так что выполненная в поезде работа во многом следовала идеям Оппенгеймера семнадцатилетней давности. Разница заключалась в том, что в тот момент, когда в вычислениях возникли бесконечности, Бете просто отбросил вклад в энергетический сдвиг, обусловленный испусканием и поглощением фотонов больших энергий (он совершенно произвольно ограничил энергии фотонов величиной, эквивалентной массе электрона). В результате Бете получил конечный результат, оказавшийся в удовлетворительном согласии с измерениями Лэмба. Подчеркнем, что само это вычисление мог бы прекрасно сделать и Оппенгеймер в 1930 г., но потребовались экспериментальные данные, требовавшие своего немедленного объяснения, и воодушевление идеями, носившимися в воздухе на конференции в Шелтер Айленде, чтобы подтолкнуть кого-то к доведению работы до конца.
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 перенормировки массы 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 электрослабой силой. 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 W давно фигурировали в разных теориях, пытавшихся объяснить слабые силы; само обозначение W происходит 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].
Среди физиков, принимавших участие в конференции в Шелтер Айленде, был Уиллис Лэмб, молодой экспериментатор из Колумбийского университета. Используя микроволновую радарную технологию, разработанную во время войны, Лэмб сумел как раз перед началом конференции очень точно измерить один из эффектов[84], который пытался еще в 1930 г. рассчитать Оппенгеймер, а именно сдвиг энергии атома водорода благодаря испусканию и последующему поглощению фотона. Этот эффект известен теперь под названием лэмбовского сдвига. Проведенные измерения сами по себе не имели никакого отношения к решению проблемы бесконечностей, но побудили физиков вновь попытаться вступить в схватку с этой задачей, чтобы вычислить измеренное значение лэмбовского сдвига. Найденное тогда решение проблемы определило развитие физики до наших дней.
Ряд теоретиков, принимавших участие в конференции в Шелтер Айленде, уже были наслышаны о результатах Лэмба и приехали на конференцию с готовой идеей того, как можно было бы вычислить лэмбовский сдвиг, пользуясь принципами квантовой электродинамики и обойдя при этом проблему бесконечностей. Рассуждения были таковы. На самом деле тот сдвиг энергии атома, который происходит в результате испускания и последующего поглощения фотонов, не является непосредственно наблюдаемым; в действительности единственной наблюдаемой в эксперименте величиной является полная энергия атома, которая рассчитывается добавлением этого сдвига к той энергии, которую вычислил еще в 1928 г. Дирак. Эта полная энергия зависит от голой массы и голого заряда электрона, т.е. от тех величин, которые входят в уравнения теории до того, как мы начинаем рассматривать проблемы испускания и последующего поглощения фотонов. Но ведь свободные электроны, так же как и электроны, находящиеся в атомах, все время испускают и вновь поглощают фотоны, что влияет на массу и заряд электронов. Поэтому значения голых массы и заряда совсем не равны измеренным на опыте значениям массы и заряда электрона, которые приводятся в таблицах элементарных частиц. На самом деле, чтобы получить наблюдаемые (естественно, конечные) значения массы и заряда электрона, нужно потребовать, чтобы голые масса и заряд были сами бесконечно большими. Таким образом, полная энергия атома представляется в виде суммы двух слагаемых, каждое из которых бесконечно велико: голой энергии, которая бесконечна, так как зависит от бесконечно больших по величине голых массы и заряда, и сдвига энергии, вычисленного Оппенгеймером, который бесконечно велик, так как в него вносят вклад виртуальные фотоны сколь угодно большой энергии. Возникает вопрос: может ли быть так, что две эти бесконечности сокращают друг друга, приводя к конечной полной энергии?[85]
На первый взгляд ответ казался отрицательным. Но Оппенгеймер кое-что проглядел в своих вычислениях. Сдвиг энергии обусловлен не только вкладом процессов, в которых электрон испускает и затем вновь поглощает фотон, но и процессов, в которых спонтанно, из вакуума, рождаются позитрон, фотон и другой электрон, а затем фотон поглощается при аннигиляции позитрона и исходного электрона. На самом деле этот удивительный процесс обязательно должен быть включен в вычисления, чтобы окончательный ответ для энергии атома зависел от его скорости так, как этого требуют законы специальной теории относительности. (Это один из примеров, иллюстрирующих важнейшее утверждение, много лет назад доказанное Дираком, что квантовомеханическая теория электрона совместима с специальной теорией относительности, только если в теории на равных правах рассматривается и позитрон, античастица к электрону.) Одним из теоретиков, присутствовавших на конференции, был Виктор Вайскопф.
Еще в 1936 г. он вычислил вклад в сдвиг энергии за счет процесса с участием позитронов и обнаружил, что этот вклад почти сокращает ту бесконечность, которую получил Оппенгеймер21). Теперь уже было не очень трудно догадаться, что если учесть процессы с позитронами и принять во внимание разницу между голыми массой и зарядом электрона и их наблюдаемыми значениями, то все бесконечности в сдвиге энергии взаимно сократятся.
Хотя Оппенгеймер и Вайскопф присутствовали на конференции в Шелтер Айленде, все же первым теоретиком, вычислившим величину лэмбовского сдвига, стал Ганс Бете, уже известный своими работами по ядерной физике, в том числе описанием в 1930 г. тех цепочек ядерных реакций, которые позволяют звездам светиться. Основываясь на циркулировавших на конференции идеях, Бете в вагоне поезда, увозившего его домой, сделал грубое вычисление величины того сдвига, который измерил Лэмб. Бете еще не владел по-настоящему эффективной техникой вычислений, включающей позитроны и учитывающей другие эффекты специальной теории относительности, так что выполненная в поезде работа во многом следовала идеям Оппенгеймера семнадцатилетней давности. Разница заключалась в том, что в тот момент, когда в вычислениях возникли бесконечности, Бете просто отбросил вклад в энергетический сдвиг, обусловленный испусканием и поглощением фотонов больших энергий (он совершенно произвольно ограничил энергии фотонов величиной, эквивалентной массе электрона). В результате Бете получил конечный результат, оказавшийся в удовлетворительном согласии с измерениями Лэмба. Подчеркнем, что само это вычисление мог бы прекрасно сделать и Оппенгеймер в 1930 г., но потребовались экспериментальные данные, требовавшие своего немедленного объяснения, и воодушевление идеями, носившимися в воздухе на конференции в Шелтер Айленде, чтобы подтолкнуть кого-то к доведению работы до конца.
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 перенормировки массы 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 электрослабой силой. 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 W давно фигурировали в разных теориях, пытавшихся объяснить слабые силы; само обозначение W происходит 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].