В мире современной физики профессор Техасского университета в Остине Стивен Вайнберг давно превратился в живую легенду. Один из создателей Стандартной модели элементарных частиц, лауреат Нобелевской премии и американской Национальной медали за научные исследования, член Национальной Академии наук США и британского Королевского общества — и это далеко не полный перечень титулов и званий. Его статью «Модель лептонов», где всего на двух с половиной страницах сформулирована теория электрослабых взаимодействий, по праву считают одной из самых содержательных публикаций за всю историю теоретической физики. «Популярная механика» попросила профессора Вайнберга поделиться размышлениями о калибровочных теориях.

Нобелевский лауреат 1979 году Вайнбергу была присуждена Нобелевская премия по физике «за вклад в объединенную теорию слабых и электромагнитных взаимодействий между элементарными частицами, в том числе предсказание слабых нейтральных токов». Атеист В 1999 году на конференции по космологии Вайнберг заявил: «Я приветствую диалог между наукой и религией, но он не может быть конструктивным. Одно из величайших достижений науки — если не невозможность для разумных людей быть верующими, то по крайней мере возможность для них быть неверующими». Популяризатор Помимо более чем 300 чисто научных публикаций Стивен Вайнберг написал несколько научно-популярных книг, ставших классикой популяризации фундаментальной науки. Многие из его трудов были переведены на русский язык, самые известные из них — это «Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной» и «Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природы».
Имя: Стивен Вайнберг Родился: 3 мая 1933 года в Нью-Йорке. Образование: Корнеллский университет (степень бакалавра, 1954), Принстонский университет (докторская степень, 1957). Места работы: Колумбийский университет, Калифорнийский университет в Беркли, МIT, Гарвардский университет. С 1982 года — профессор физики Техасского университета в Остине. Область научных интересов: квантовая теория поля, физика элементарных частиц, гравитация, космология, теория суперструн, квантовая хромодинамика. Вероисповедание: последовательный атеист. Одно из высказываний: «С религией или без нее хорошие люди могут делать добро, а плохие — зло; но чтобы заставить хороших людей делать зло — для этого как раз нужна религия». Научные награды: Нобелевская премия по физике (1979), Национальная медаль за достижения в науке (1991), премия Льюиса Томаса за литературные произведения о науке (1999), медаль Бенджамина Франклина за выдающиеся достижения в науке (2004), звание «Гуманист года» (2002) Американской гуманистической ассоциации, почетные звания более десятка университетов, научных обществ и академий.

— Случайно ли классические труды Эмми Нётер и Германа Вейля были опубликованы одновременно?

Вряд ли это просто совпадение. В 1905 году Эйнштейн создал специальную теорию относительности, направленную на выяснение последствий, к которым ведет постоянство скорости света. Физики, в том числе Хендрик Антон Лоренц и Макс Абрахам, попытались разрешить эту проблему, разрабатывая теорию электрона. А вот Эйнштейн поступил иначе. Он постулировал симметрию законов природы, которую сегодня называют лоренцовой инвариантностью. У Эйнштейна она выступает в качестве фундаментального принципа физики, из которого выводится множество очень глубоких заключений.

Новизну этой идеи трудно переоценить. Конечно, физики и раньше имели дело с различными симметриями и использовали их в качестве полезных вспомогательных инструментов. Однако Эйнштейн первым осознал, что симметрию можно заложить в основу конструирования физических теорий и что она должна стать самостоятельным предметом физического исследования. Этим новым подходом он воспользовался и для создания ОТО — при произвольных гладких преобразованиях пространственно-временных координат ее уравнения не изменяют формы. Это тоже симметрия, причем очень сильная.

Пытаясь объединить гравитацию и электромагнетизм, Вейль сохранил все симметрии ОТО, добавив к ним симметрию относительно изменений масштаба. В отличие от Вейля, Эмми Нётер не пыталась решать никакой конкретной физической задачи, зато выявила глубинные связи между симметриями и законами сохранения. Так что и она, и Вейль развивали эйнштейновский подход, поставивший симметрии в центр законов природы.

— Кому принадлежит главная заслуга в разработке калибровочных теорий?

Вейля принято считать отцом-основателем этого направления и автором термина, но калибровочный подход придумал не он. В его работах калибровочная инвариантность имеет лишь формальное сходство с той трактовкой, которую в 1954 году ей дали Янг и Миллс. Именно эти ученые первыми показали, что использование локальных калибровочных симметрий позволяет предсказывать нетривиальные физические эффекты.

Моя оценка может показаться чрезмерно строгой, но с уравнениями Максвелла в принципе можно работать и в том виде, в каком они были первоначально написаны. А вот квантовую теорию поведения заряженной частицы в электромагнитном поле без потенциалов даже невозможно сформулировать. Поэтому любую из таких теорий необходимо сделать калибровочно инвариантной.

Однако в 1920-х физики полагали калибровочную симметрию не более чем формальным следствием перехода к квантовому описанию движения заряженных частиц. Должно было пройти немалое время, прежде чем ученые увидели в калибровочной инвариантности фундаментальный принцип, из которого можно вывести гораздо больше, нежели законы квантовой электродинамики. Это совершенно новое понимание калибровочной симметрии, исторически восходящее к статье Янга и Миллса. Они впервые показали, что из этой симметрии вытекают основные динамические свойства физической теории.

— А почему Вы решили заняться этой темой?

Я прочел статью Янга и Миллса во время учебы в аспирантуре в 1950-х и был буквально очарован. Их работе свойственна такая же красота, как и ОТО, где динамика тоже выводится из свойств симметрии. Конечно, это заметили многие физики-теоретики.

Однако для физической теории мало одной лишь математической элегантности. Главная проблема модели Янга и Миллса заключалась в том, что никто не мог понять, как она связана с реальной физикой. Поля Янга и Миллса имели кванты с нулевой массой, а экспериментаторы ничего подобного никогда не наблюдали. Все дело было именно в этой безмассовости. Предположим, у вас есть теория, которая предсказывает новую частицу, но не дает возможности вычислить ее массу.

Если частицу не удается обнаружить экспериментально, можно предположить, что она слишком тяжела, чтобы родиться в существующих ускорителях — не хватает энергии. Но для гипотетических частиц со строго нулевой массой подобные отговорки не проходят, и нужны другие объяснения, почему их не удается обнаружить. Для модели Янга и Миллса такие причины никак не находились, и поэтому она долго не вызывала интереса, хотя многие теоретики были с ней знакомы.

— Но все же эта модель получила признание?

Да, конечно. Во второй половине 1960-х годов мы с Абдусом Саламом независимо друг от друга нашли первые физические приложения модели Янга и Миллса. Моя работа была опубликована в 1967 году, Салама — в 1968-м. Мы оба использовали так называемый механизм Хиггса, который объясняет, как спонтанное нарушение калибровочной симметрии оборачивается рождением массивных частиц. С его помощью нам удалось построить калибровочную теорию электрослабых взаимодействий, которые переносят фотоны и три тяжелых векторных бозона.

Сходную теорию несколькими годами ранее развил Шелдон Глэшоу, однако он не смог справиться с проблемой массы этих бозонов.

А вот нам удалось ее вычислить, причем, как показали эксперименты, весьма точно. Вот так и было впервые доказано, что калибровочные теории фундаментальных взаимодействий обладают реальной предсказательной силой. Использование механизма Хиггса также сделало калибровочную теорию электрослабых взаимодействий математически согласованной — в том смысле, что позволило очистить ее от бесконечностей, которые из модели Глэшоу никак не убирались.

Какова мораль этой истории? Янг и Миллс построили очень красивую математическую модель, которая в своем изначальном виде не имела реального приложения. Мы с Саламом положили ее в основу настоящей физической теории, которая со временем выдержала жесткую экспериментальную проверку. Тяжелые векторные бозоны были зарегистрированы, их массы измерены, теория подтвердилась.

А несколько месяцев назад было объявлено о вероятном открытии хиггсовского бозона. Массу этой частицы наша теория предсказать не могла, ее предстояло определить экспериментаторам.

— Была ли Ваша работа и работа Салама прямым развитием модели Янга и Миллса?

Нет, я бы так не сказал. О слабых взаимодействиях Янг и Миллс даже не задумывались. Они хотели с помощью калибровочных полей объяснить сильные взаимодействия, связывающие между собой протоны и нейтроны в атомных ядрах. Но это удалось сделать лишь в 1970-х годах.

— Каким образом это произошло?

Тогда была создана квантовая хромодинамика, объясняющая свойства и структуру адронов, составных частиц, которые принимают участие в сильных взаимодействиях. Они состоят из кварков, скрепленных между собой калибровочными полями с безмассовыми квантами — глюонами. И тут вновь возник прежний вопрос: если глюоны не имеют массы, почему мы их не наблюдаем в чистом виде?

Многие теоретики допускали, что глюоны все же обретают массу из-за спонтанного нарушения калибровочной симметрии — подобно векторным бозонам, переносящим слабые взаимодействия. Как я уже говорил, этим путем их ненаблюдаемость можно списать на слишком большие массы. Однако ни малейших разумных причин для рождения столь тяжелых глюонов так и не нашлось.

Эта загадка была разрешена совершенно неожиданным методом, который еще раз продемонстрировал силу калибровочных моделей и привел в итоге к созданию Стандартной модели элементарных частиц, которая дает возможность объяснить практически все результаты экспериментаторов. Гросс, Вильчек и Политцер обнаружили замечательное свойство той разновидности полей Янга-Миллса, которые работают в квантовой хромодинамике. Оказалось, что при увеличении энергии у них уменьшается эффективная константа взаимодействия. После этого Гросс с Вильчеком и я сообразили, что в таком случае при уменьшении энергии эта константа должна возрастать.

Это означает, что ближнее взаимодействие между кварками и глюонами гораздо слабее, чем дальнее. Отсюда можно заключить, что кварки и глюоны настолько сильно притягиваются друг к другу на больших дистанциях, что их невозможно наблюдать по отдельности.

— В чем Вы видите основные достоинства и слабые места калибровочных теорий фундаментальных взаимодействий?

Хороший вопрос. Мы, физики-теоретики, на полном серьезе восприняли урок, преподанный нам Эйнштейном в 1905 году. Он понял, что природа на самом фундаментальном уровне подчиняется могущественным принципам симметрии. Эти симметрии придают законам природы ту простоту, которую издавна искали ученые.

Я как-то даже сказал, что если бы фундаментальные законы природы не отличались единством, простотой и изяществом, мне было бы просто неинтересно ими заниматься.

Сейчас практически все видят в Стандартной модели не более чем очень хорошую аппроксимацию более глубокой теории, которой пока еще нет.

И я вполне допускаю, что в эту теорию на фундаментальном уровне не войдут калибровочные симметрии. Скажем, в структуре теории струн нет калибровочных полей, хотя их аналоги и появляются в ходе приближенного решения ее уравнений. С другой стороны, мы еще не знаем, имеет ли эта теория отношение к реальному миру. Вот и получается, что будущее калибровочных теорий пока не ясно, но в своей области применимости они работают отлично.

Статья «Разговор с классиком» опубликована в журнале «Популярная механика» (№1, Январь 2013).