[13]. Существуют частицы с целочисленным спином 1, например W- и Z-бозоны, которые являются такими же элементарными частицами, как электрон, и многие ученые считают, что на БАК будет открыта такая же элементарная частица с нулевым спином[14]. Кроме того, уравнение Дирака было крайне затруднительно приложить к системам, состоящим из более чем одного электрона. Будущее оказалось за квантовой теорией поля[15], созданной в результате совместной работы разных групп ученых, например команды Макса Борна, Гейзенберга и Паскуаля Йордана в 1926 г., Гейзенберга и Вольфганга Паули в 1926 г. и Паули и Виктора Вайскопфа в 1934 г. (Вайскопф как-то рассказал мне, что в одной из своих поздних статей Паули собирался показать ошибочность теории Дирака о необходимости дробного спина 1/2 и построить удобную и разумную теорию частиц с нулевым спином.) Квантовая теория поля впервые была применена Ферми в 1933 г. в его теории бета-распада, а затем стала математической основой для большей части успешных теорий элементарных частиц[16].
Второе очевидное препятствие было связано с атомным ядром. Высокий кулоновский барьер не позволял альфа-частицам, источником которых в лаборатории Резерфорда служил радий, проникать в атомное ядро[17]. Для решения именно этой проблемы началось развитие ускорителей частиц.
Прогресс в этих направлениях в 1930-е гг. был затруднен из-за странного нежелания теоретиков предлагать новые частицы. Вот три примера.
Во-первых, гладкое распределение электронов, испущенных в результате бета-распада, по энергиям, которое было обнаружено Джеймсом Чедвиком в 1914 г., противоречило предположению о том, что каждый электрон уносит всю энергию перехода ядра из одного состояния в другое, поскольку в этом случае у всех электронов была бы одна и та же энергия, равная разности энергий начального и конечного состояний ядра. Открытие Чедвика было настолько загадочным, что Бор даже допускал нарушение закона сохранения энергии при таком распаде. Высказанное в 1930 г. предложение Паули о введении нового типа частиц — нейтрино — большей частью ученых было встречено скептически, и этот скепсис окончательно исчез только после того, как четверть века спустя нейтрино были обнаружены в экспериментах[18].
Во-вторых, Дирак поначалу предполагал, что «дырки» в электронном «море», соответствующие состояниям электронов с отрицательной энергией в его теории, — это протоны, единственные известные тогда частицы с положительным электрическим зарядом, несмотря на то что такое предположение противоречило бы наблюдаемому факту стабильности каких-либо атомов, так как электроны в атомах могли бы проваливаться в эти «дырки». Позже Дирак отказался от такой трактовки, однако открытие позитронов в космических лучах Карлом Андерсоном и Патриком Блэкеттом в 1932 г. стало неожиданностью для большинства физиков, в том числе и для самих Андерсона и Блэкетта[19].
В-третьих, чтобы придать атомным ядрам соответствующие массы и заряды, физики сначала предположили, что ядра состоят из протонов и электронов. При этом они понимали, что вследствие этого допущения ядро азота-14 становится фермионом, тогда как исследования молекулярного спектра уже показали, что ядро азота-14 — бозон[20]. Окончательно нейтроны признали только после их открытия Чедвиком в 1932 г.
Сегодня это былое нежелание предлагать новые частицы даже в тех случаях, когда существовала очевидная теоретическая необходимость, кажется довольно странной. Современный физик-теоретик вряд ли добьется признания, если не введет хотя бы одну новую частицу, существование которой не подтверждено экспериментально. А в 1935 г. Хидэки Юкава потребовалась большая смелость, чтобы предположить, основываясь на приобретенном к тому времени знании о расстояниях ядерного взаимодействия, существование бозона с массой порядка 100 МэВ[21], которым обмениваются взаимодействующие протоны и нейтроны.
Между тем равенство масс нейтрона и протона говорило о том, что между этими частицами существует некоторая симметрия[22]. Эта симметрия была установлена Грегори Брейтом и Юджином Финбергом в 1936 г., после того как в том же году Мерл Тьюв с коллегами экспериментально измерили силу протон-протонного взаимодействия и обнаружили, что она равна уже известной к тому времени силе нейтрон-протонного взаимодействия. Найденная симметрия получила название изоспиновой; математикам она известна как SU(2)[23].
Физика частиц возобновила свое развитие после окончания Второй мировой войны. (Здесь я, пожалуй, закончу перечислять имена физиков, работавших в этой области, поскольку это заняло бы слишком много времени, а кроме того, я боюсь пропустить имя кого-нибудь из ныне живущих.) В конце 1940-х гг. старая проблема бесконечностей в квантовой электродинамике была решена с помощью теории перенормировки[24]. Мезон Юкавы, который мы теперь называем пионом, был обнаружен, и были определены свойства частицы, отличающие ее от открытого в 1937 г. мюона, который можно уподобить тяжелому электрону. Частицы, обладающие новым приближенно сохраняющимся квантовым числом — странностью, — были открыты в 1947 г.[25] Все эти новые частицы были обнаружены в космических лучах, но уже в 1950-х гг. на смену космическим лучам как инструменту для поиска новых частиц пришли ускорители. Ускорители становились все масштабнее и мощнее — они уже не помещались в подвалах университетских физических лабораторий и становились огромными объектами, видимыми из космоса.
Выдающийся успех квантовой электродинамики подарил надежду на создание квантовой теории поля, охватывающей все элементарные частицы и их взаимодействия, однако в этом направлении возникли серьезные препятствия. Для начала отметим, что такая теория требует выбрать элементарные частицы, описания полей которых появятся в уравнениях. Однако после открытия столь большого количества новых частиц уже стало невозможно всерьез относится к выбору небольшой группы частиц в качестве элементарных. Кроме того, можно было легко представить любое число теорий сильных взаимодействий в квантовых полях, но что с ними делать? Сильные взаимодействия оказались слишком сильными и не допускали приблизительных расчетов. Одна из теоретических школ и вовсе пришла к отказу от квантовой теории поля, по крайней мере в отношении сильных взаимодействий, и в дальнейшем полагалась исключительно на общие свойства процессов рассеяния.
Другая проблема: что нам делать с приближенными симметриями, вроде изоспиновой, или еще более загадочным спонтанным нарушением симметрии, описывающим свойства низкоэнергетических пионов, или еще более грубой симметрией, которая устанавливает связь между обычными и странными частицами?[26] Оказалось, что даже инвариантность относительно пространственного отражения (так называемая Р-симметрия, или зеркальная симметрия), обращения времени (Т-симметрия) и замена частицы на соответствующую античастицу (С-симметрия, или зарядовое сопряжение) оказалась приближенной. Если симметрии — выражение гармонии природы, то являются ли приближенные симметрии выражением приближенной гармонии природы?
Для слабых взаимодействий у нас имеется квантовая теория поля, которая хорошо согласуется с экспериментом, — теория бета-распада Ферми, появившаяся в 1933 г. Однако при обобщении этой теории за пределы нижнего порядка аппроксимации она привела к появлению бесконечностей, которые, очевидно, нельзя устранить с помощью перенормировки.
Все эти препятствия были преодолены в 1960–1970-х гг. благодаря развитию новой квантово-полевой теории элементарных частиц — Стандартной модели. Она построена на точных локальных симметриях, часть которых подвержена спонтанному нарушению, а другие — нет[27]. БАК, несомненно, позволит нам раскрыть механизм, приводящий к спонтанному нарушению локальной симметрии слабого и электромагнитного взаимодействий. Существует очевидный набор элементарных частиц, поля которых включены в Стандартную модель, — это кварки (из которых состоят протоны, нейтроны и другие сильно взаимодействующие частицы), лептоны (электроны, нейтрино и другие слабо взаимодействующие частицы) и бозоны, возникающие как проявления локальных симметрий (фотоны, переносящие сильное взаимодействие глюоны и переносящие слабое взаимодействие при бета-распаде W- и Z-бозоны). Нам все еще крайне сложно выполнять точные расчеты для сильно взаимодействующих частиц, например протонов и нейтронов, состоящих из кварков, но ослабление сильного взаимодействия при высоких энергиях позволяет произвести достаточный объем вычислений, чтобы убедиться в правильности теории.
Простота Стандартной модели обеспечивается условием перенормировки — в уравнениях допускаются только такие комбинации полей и их производных, размерность которых (в системе единиц, в которой постоянная Планка и скорость света равны единице) не превышает четвертой степени массы[28]. Это условие необходимо для того, чтобы все бесконечности, возникающие в теории возмущений, можно было устранить переопределением конечного набора констант в уравнениях.
Благодаря подобной простоте возникает естественное объяснение загадочным приближенным симметриям сильных взаимодействий, например изоспиновой симметрии. Та часть теории, которая описывает сильные взаимодействия, недостаточно сложна, чтобы могла описывать нарушение этих симметрий, за исключением незначительных эффектов, обусловленных массами легчайших кварков. Точно так же теория слабого и электромагнитного взаимодействий недостаточно сложна, чтобы могла описывать нарушение закона сохранения странности и других ароматов или P-, T- и С-симметрии (за исключением некоторых незначительных квантовых эффектов).