Частица на краю Вселенной

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

Объединение

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

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

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

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

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

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

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