Уравнение Бога. В поисках теории всего

Слабого ядерного взаимодействия, например, недостаточно, чтобы удерживать в связанном состоянии компоненты атомных ядер многих типов, поэтому они распадаются на более мелкие фрагменты и элементарные частицы. Радиоактивный распад, как мы уже видели, – причина того, что внутри Земля такая горячая. Именно в слабом ядерном взаимодействии кроется источник энергии извергающихся вулканов и ужасных землетрясений. Чтобы объяснить это взаимодействие, ввели новую частицу. Нейтрон, например, нестабилен и со временем распадается на протон и электрон. Такой процесс называется бета-распадом. Но, чтобы расчеты стали возможными, физикам пришлось ввести в уравнение третий член – частицу, получившую название «нейтрино».

Нейтрино иногда называют призрачной частицей, потому что оно способно пронизывать целые планеты и звезды без какого-либо взаимодействия или поглощения. В это самое мгновение через ваше тело проходит поток нейтрино из глубокого космоса, причем часть его до этого прошла через нашу планету. Мало того, эти частицы могли бы свободно пролететь сквозь толщу сплошного свинца, протянувшуюся от Земли до ближайшей звезды.

Паули, предсказавший существование нейтрино в 1930 г., однажды пожаловался: «Я совершил непростительный грех. Я ввел частицу, которую невозможно наблюдать»[37]. Но, какой бы неуловимой ни была эта частица, в конце концов ее экспериментально зарегистрировали в 1956 г. при анализе мощного излучения, испускаемого ядерным реактором. (Хотя нейтрино почти не взаимодействует с обычным веществом, физики сумели компенсировать этот недостаток, воспользовавшись тем фактом, что ядерный реактор испускает огромное число нейтрино.)

Чтобы разобраться в слабом ядерном взаимодействии, физики снова ввели новую симметрию. Поскольку электрон и нейтрино – пара слабо взаимодействующих частиц, было высказано предположение, что их можно объединить и таким образом получить новую симметрию, которую, в свою очередь, можно объединить со старой симметрией теории Максвелла. Получившаяся в результате теория, которую назвали электрослабой, объединила электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие.

Электрослабая теория Стивена Вайнберга, Шелдона Глэшоу и Абдуса Салама принесла им в 1979 г. Нобелевскую премию.

Так что свет, вместо того чтобы, как надеялся Эйнштейн, объединиться с гравитацией, на деле предпочел объединиться со слабым ядерным взаимодействием.

Если сильное ядерное взаимодействие основано на симметрии Гелл-Манна, которая связывает три кварка воедино так, что они образуют протоны и нейтроны, то слабое ядерное взаимодействие опирается на менее масштабную симметрию – перестановку электрона и нейтрино, которая объединяется с электромагнетизмом.

Но какие бы возможности ни открывали кварковая модель и электрослабая теория при описании зоопарка элементарных частиц, в этом описании по-прежнему оставалась зияющая дыра. Вопрос был в том, что удерживает все эти частицы вместе.

Теория Янга – Миллса

Поскольку поле Максвелла в свое время так успешно предсказывало свойства, обнаруживаемые в электромагнетизме, физики начали изучать новую версию уравнения Максвелла. Ее предложили Чжэньнин Янг и Роберт Миллс в 1954 г. Вместо всего лишь одного поля, предложенного Максвеллом в 1861 г., эта теория вводила целое семейство таких полей. Та же симметрия, которую Гелл-Манн в своей теории использовал для перестановки кварков, в этой теории использовалась для взаимной замены полей Янга – Миллса.

Идея была проста. Раз атом удерживается в связанном состоянии электрическим полем, которое описывается уравнениями Максвелла, то кварки, возможно, удерживаются тем, что вытекает из обобщения уравнений Максвелла, то есть полями Янга – Миллса. Та же симметрия, которая описывает кварки, теперь применяется к полю Янга – Миллса.

Однако на протяжении нескольких десятилетий эта простая идея оставалась невостребованной, поскольку при расчете свойств частиц Янга – Миллса результат опять получался бесконечным, в точности как в случае КЭД. К несчастью, тех фокусов, что предложил в свое время Фейнман, для перенормировки теории Янга – Миллса оказалось недостаточно. Многие годы физики отчаянно, но безуспешно пытались найти конечную теорию ядерного взаимодействия.

Наконец у одного изобретательного голландского аспиранта, Герарда 'тХоофта, хватило смелости и упорства, чтобы решить проблему в лоб – продраться сквозь частокол бесконечных членов и перенормировать поле Янга – Миллса. К тому моменту компьютеры уже были достаточно мощными, чтобы анализировать эти бесконечности. Когда его компьютерная программа выдала серию нулей, представлявших квантовые поправки, он окончательно убедился, что прав.

Новость об этом прорыве сразу же привлекла внимание физиков. Шелдон Глэшоу даже воскликнул: «Или этот парень полный идиот, или он величайший гений из всех, кто пришел в физику за последние годы!»[38]