Суперсила. Поиски единой теории природы.

П.Девис

7. Укрощение бесконечности

Путь к объединению

Посещение физической лаборатории при большом ускорителе всегда оставляет неизгладимое впечатление. Сотни ученых, инженеров обслуживающего персонала, концентрация талантов, обеспечивающих бесперебойную работу небольшого числа гигантских машин чудовищной мощи и сложности; дерзновенность замысла и его свершения, ощущение прикосновения к неизвестному—все это создает в наиболее чистом виде представление о науке.

Когда осенью 1982 г. я посетил ЦЕРН, чтобы прочитать там несколько лекций, мне сразу стало ясно, что вот-вот должно произойти нечто необычное. Там господствовала атмосфера приподнятости, ожидания и ощущения, что важные открытия где-то совсем рядом. Внешне все шло как обычно: суета в коридорах, ученые спешили к экспериментальным установкам или на семинары, гости из дальних стран увлеченно беседовали с коллегами или проглядывали последнюю информацию, теоретики нерпеливо выписывали уравнения на досках или на бесконечных листах бумаги, секретарши склонялись над пишущими машинками, лаборанты колдовали над проводами и электронными лампами, в кафетерии во время завтрака не умолкали шум и гам. В ЦЕРНе всегда проводится одновременно много экспериментов. Сами ускорители, скрытые в бетонных параллелепипедах зданий или в подземных туннелях, внешне не подают никаких признаков жизни. Случайному прохожему и в голову не придет, какие силы вызываются из недр этих технических титанов.

Самой большой из машин ЦЕРНа в то время был протон-антипротонный ускоритель на встречных пучках, коллайдер, — кольцеобразная камера длиной в несколько километров, внутри которой циркулировали навстречу друг другу протоны и антипротоны. Пучки частиц, ускоренных до нужной энергии, направляли так, чтобы произошло лобовое столкновение. Происходила аннигиляция протонов и антипротонов, а из освобождавшейся при этом энергии рождались потоки новых частиц, разлетающихся во все стороны от точки столкновения Для обнаружения следов частиц обычно используются специальные электронные устройства, которые срабатывают при прохождении через них электрически заряженных тел. С помощью системы таких устройств экспериментатору удается восстанавливать трехмерную картину столкновения. Протоны и антипротоны поступают в ускоритель из периферийных устройств, одно из которых предназначено для получения антипротонов и хранения их в магнитном накопительном кольце перед инжекцией в коллайдер. Возглавлял работу итальянский физик Карло Руббиа. Осенью 1982 г. Руббиа был героем дня.

Хотя коллайдер только выходил на расчетный режим, нетерпеливые физики увлеченно пытались предугадать, с какими процессами им придется иметь дело при столкновениях частиц в неисследованном пока диапазоне энергий. Но вступая на территорию, которой еще не было на карте, группа из ЦЕРНа все же имела путеводную нить — теорию, и в ней заметно выделялся один ранее намеченный ориентир Если вычисления были правильны, то физикам со дня на день предстояло впервые увидеть частицу нового типа — так называемую W-частицу, переносчика слабого взаимодействия. Предсказанная пару десятилетий назад, W-частица еще никем не наблюдалась. Подтверждение ее существования означало бы первый шаг на пути к суперсиле.

В декабре 1982 г. у экспериментаторов рассеялись последние сомнения. По всему миру ползли слухи. Но только в середине января 1983 г. Руббиа пригласил прессу и объявил об открытии W-частицы.

В сущности, цель науки — это поиск единства. Научный метод обязан своими значительными успехами способности ученых связывать разрозненные фрагменты знания в единую картину. Отыскивать связующее звено — одна из главных задач научного исследования. Выявление Ньютоном связи между гравитацией и движением планет ознаменовало собой рождение научной эры. Выявление связи между болезнетворными микробами и заболеваниями положило начало современной медицине как истинной науке. Установление связи термодинамических свойств газа с хаотическим движением молекул поставило на прочную основу атомную теорию вещества. Обнаружение связи между массой и энергией проложило путь к ядерной энергии.

Всякий раз, когда ученым удается установить новые связи, расширяется понимание окружающего мира и возрастает наша власть над ним. Новые связи не просто объединяли наши познания — они указывали путь к ранее не известным явлениям. Связи — это одновременно и синтез знания, и стимул, направляющий научные исследования по новым, непроторенным дорогам.

Фундаментальная физика всегда прокладывала путь к единству знания. Но все происходившее в физике с начала 70-х годов не сравнимо ни с чем. По-видимому, мы стоим на пороге более могущественного и глубокого объединения, чем когда-либо ранее. Среди физиков растет убеждение, что начинают вырисовываться контуры не более и не менее как единой теории всего сущего.

Подобные теории отнюдь не новость. Большинство религий претендуют на описание естественного и потустороннего миров в их космическом единстве. Но религиозные космологии уходят корнями в древнюю мудрость, божественное откровение и теологические хитросплетения. Среди них нет и двух одинаковых.

Научные теории такого сорта редки, хотя и встречаются. Английский астроном Артур Эддингтон, например, пытался построить всеобъемлющее описание материи, силы и возникновения Вселенной в книге "Фундаментальная теория", опубликованной в 1946 г. Но претенциозные идеи Эддингтона были во многом лишь мечтой одинокого и, возможно, несколько эксцентричного ученого. Ныне же впервые научный эксперимент и теория достигли такого уровня, когда стало реальным создание полной теории Вселенной, которая опирается на общепринятые и допускающие проверку гипотезы.

Главный толчок столь существенному продвижению был дан исследованиями фундаментальных взаимодействий в природе. В гл. 5 мы рассказали, что физики различают четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Еще в середине прошлого столетия Максвелл создал единую электромагнитную теорию, охватившую как электрические, так и магнитные явления. Затем в 20-х годах нашего века Эйнштейн предпринимал систематические попытки объединить электромагнетизм с его теорией гравитации (общей теорией относительности).

Но вскоре его увлекли другие события. Были открыты ядерные силы — сильное и слабое взаимодействия, и при любой попытке объединить силы природы приходилось считаться уже не с двумя, а с четырьмя фундаментальными взаимодействиями. Однако увлеченность идеей единого описания не прошла. Почему должно быть четыре различных фундаментальных взаимодействия? Перспектива описания всего происходящего в природе на основе одной-единственной суперсилы оставалась привлекательной, но неопределенно далекой мечтой. Ныне осуществление этой мечты — дело отнюдь не отдаленного будущего. Вскоре она вполне может стать реальностью.

Решающий шаг на пути к единой теории был сделан в конце 60-х годов. К тому времени теоретики добились невиданных успехов в применении квантовой теории к полям. Представление о поле возникло столетием раньше, успев доказать свою полезность в широком диапазоне практических приложений, в частности в радиотехнике. Соединение квантовой механики с электромагнитным полем привело непосредственно к квантовой электродинамике (КЭД), обладающей легендарными точностью и предсказательной силой.

Что касается трех остальных взаимодействий, то тут, к сожалению, нельзя было похвастаться аналогичными достижениями. Квантовая теория гравитации, в которой переносчиками гравитационного взаимодействия служат гравитоны, завязла в математических трудностях. Природа слабого взаимодействия по-прежнему оставалась во многом непонятной. По поводу существования Z-частиц не было единого мнения, а описание с помощью обмена только W-частицами давало разумные результаты лишь в случае простейших процессов при низких энергиях. Еще менее понятной казалась природа сильного взаимодействия. К тому времени стало ясно, что все адроны, в частности протоны и нейтроны, вовсе не элементарные частицы, хотя теория кварков еще не имела прочного фундамента. Взаимодействие адронов выглядело очень сложным, но никто не знал, как моделировать внутреннюю структуру адронов, чтобы получить более простое описание.

Таким образом, в 60-е годы каждое из четырех взаимодействий описывалось своей теорией, и из них только одну, а именно КЭД, можно было считать во всех отношениях удовлетворительной. Теоретики стали размышлять, в чем же секрет КЭД. Какими особенностями электромагнитного поля, не свойственными другим силовым полям, обусловлен успех квантового описания? Если бы удалось выявить эти особенности, то теорию других взаимодействий можно было бы так видоизменить, чтобы включить в нее эти решающие факторы.

Оживший вакуум

Пустое пространство кажется не очень перспективным объектом для исследования, однако именно в нем скрыт ключ к полному пониманию существующих в природе взаимодействий. Вакуум довольно легко представить наглядно. Это область пространства, из которой удалено решительно все — частицы, поля, волны. Достичь абсолютного вакуума практически невозможно. Даже в космическом пространстве всегда присутствует остаток газа или плазмы, а также реликтовое фоновое излучение, оставшееся от Большого взрыва. Однако ничто не мешает нам рассматривать идеализированный вакуум.

Когда физики приступили к разработке квантовой теории поля, оказалось, что вакуум совсем не такой, каким его долгое время представляли, — это не пустое безжизненное пространство, лишенное вещества. Оказалось, что квантовая физика способна на "трюки" даже в отсутствие квантовых частиц.

Источник таких "трюков" — принцип неопределенности Гейзенберга, точнее его разновидность, относящаяся к энергии. В гл. 2 мы говорили о том, что квантовые эффекты могут приостанавливать действие закона сохранения энергии на очень короткое время. В течение этого промежутка времени энергия может быть взята "взаймы" на различные цели, в том числе на рождение частиц. Разумеется, все возникающие при этом частицы будут короткоживущие, так как израсходованная на них энергия должна быть возвращена спустя ничтожную долю секунды. Тем не менее частицы могут возникнуть из ничего, обретя мимолетное бытие, прежде чем снова исчезнуть. И эту скоротечную деятельность невозможно предотвратить. Как бы мы ни старались опустошить пространство, в нем всегда будет присутствовать рой мимолетных частиц, возникновение которых "субсидируется" соотношением Гейзенберга. Эти частицы-призраки нельзя наблюдать, хотя они могут оставить следы своего кратковременного существования. Они представляют собой разновидность "виртуальных" частиц, аналогичных переносчикам взаимодействий, но не предназначенных для получения или передачи сигналов. Возникнув из пустоты, они снова превращаются в нее, являя собой наглядное доказательство существования силового поля и оставаясь при этом бесплотными призраками.

То, что казалось пустым пространством, в действительности кишит виртуальными частицами. Вакуум не безжизнен и безлик, а полон энергии. "Реальную" частицу, например электрон, всегда необходимо рассматривать на фоне этой непрерывной активности. Перемещаясь в пространстве, электрон в действительности оказывается в окружности частиц-призраков — виртуальных лептонов, кварков и переносчиков взаимодействий, — плутая в этой неразберихе. Своим присутствием он вносит возмущение в непрерывную активность вакуума, которая в свою очередь оказывает воздействие на электрон. Даже в состоянии покоя электрон не знает покоя: со всех сторон его непрерывно штурмуют другие частицы, появившиеся из вакуума.

Если два электрона обмениваются фотоном, то это не что иное, как дополнительное возмущение в существовавшей ранее системе обменов. Описание взаимодействия частиц должно учитывать все эти дополнительные виртуальные кванты. В присутствии силовых полей полное состояние данной частицы включает процессы обмена двумя, тремя или большим числом частиц-посредников, которые взаимодействуют с частицами вакуума так, что исходная частица и частицы-посредники оказываются буквально облеплены виртуальными частицами. Происходит бесконечное количество взаимодействий, причем все в одно и то же мгновение.

На рис. 14 изображен сравнительно простой пример одного из процессов высокого порядка. Одна из частиц испускает виртуальный фотон, который затем порождает электрон-позитронную пару. Частицы этой пары в свою очередь обмениваются другим виртуальным фотоном, а затем аннигилируют, образую еще один виртуальный фотон, который поглощается второй частицей. Эта диаграмма может быть лишь частью еще более сложной диаграммы, в которой две исходные частицы существуют лишь в течение какого-то промежутка времени, после чего превращаются еще во что-нибудь.

Графическое изображение взаимодействия всех частиц имеет вид паутины со сложными переплетениями, отражающими многочисленные обмены между виртуальными частицами различных сортов. Силовое поле никогда не бывает статическим. В нем всегда присутствуют частицы-призраки, снующие туда-сюда, возникающие и исчезающие, вплетенные в трепещущую ткань энергии.

На первый взгляд кажется, что бесконечная сложность всего происходящего исключает всякую надежду на понимание характера взаимодействий между реальными частицами, не говоря уже о возможности вычислений. К счастью, это впечатление обманчиво. Оказывается — во всяком случае в КЭД, — что по мере усложнения процессов их влияние на реальные частицы ослабевает. В рассмотренном примере рассеяния электрона на электроне основной вклад обусловлен обменом одним фотоном. Остальные процессы приводят лишь к небольшим поправкам. Обычно при вычислениях, если не требуется необыкновенно высокая точность, редко приходится учитывать вклад более чем трех-четырех простейших диаграмм.

Представим себе, что в вакуум с его непрерывной активностью попадает новая частица. Ее мгновенно окутывает трепещущий покров энергии. Его нельзя наблюдать непосредственно, но представим себе, что у нас есть магический микроскоп, позволяющий обнаруживать любые виртуальные кванты. Взглянув в такой микроскоп, мы увидим "голую" частицу. Пусть это будет электрон. У внешнего края облака, окружающего частицу, снуют туда-сюда фотоны низкой энергии, зондируя пространство вокруг электрона, плутая в полупризрачном вакууме и сливаясь в заполняющее все пространство зыбкое море виртуальных квантов. По мере проникновения в облако, окружающее реальную частицу, возрастает энергия и активность виртуальных фотонов. Некоторые из фотонов время от времени превращаются в электрон-позитронные пары, которые вскоре вновь "сливаются" в фотон. Иногда происходит более сложный обмен, в котором участвует еще больше виртуальных частиц. Ближе к электрону облако буквально извергает энергию. Здесь фотоны перемешаны с более тяжелыми частицами; можно увидеть кварки, тяжелые лептоны и частицы — переносчики всевозможных взаимодействий.

Рис.14. Сложное взаимодействие двух частиц, обусловленное обменом виртуальным фотоном, который "по ходу дела" взаимодействует с другими виртуальными частицами.

Разглядывая открывающуюся в микроскоп картину под все большим увеличением, мы обнаружим, что по мере приближения к электрону энергия, заключенная в облаке, быстро и неограниченно возрастает. Это обстоятельство настораживает, ибо указывает на серьезный кризис.

Чудо КЭД

Иногда говорят, что в науке каждый кризис приводит к рождению новой теории. Кризис, выявленный с помощью магического микроскопа, служит симптомом серьезного недостатка концепции поля. Несмотря на впечатляющие успехи, квантовая теория поля оказывается несостоятельной в одном решающем пункте.

Трудность, о которой идет речь, берет начало в классической физике. Планета, например Земля, создает гравитационное поле, которое действует, скажем, на Луну. Но кроме того, гравитационное поле Земли оказывает воздействие и на саму Землю. Почва у нас над ногами сдавлена собственным гравитационным полем Земли. Такое "взаимодействие" является неизбежным следствием теории поля.

Некогда полагали, что частица, подобная электрону, представляет собой уменьшенную копию Земли — крохотный твердый шарик с равномерно распределенным в нем электрическим зарядом. Подобно тому как Земля воздействует на себя собственной гравитацией, электрон должен воздействовать на себя своим электрическим полем. Однако гравитационное и электрическое взаимодействия имеют одно важное отличие: гравитация создает притяжение, которое удерживает вместе все части Земли; электрические силы внутри электрона создают отталкивание, которое стремится "разорвать" электрон на части. В этой связи возникает проблема: какие силы могли бы компенсировать электрическое отталкивание, обеспечив целостность электрона?

С появлением теории относительности представление электрона в виде крохотного твердого шарика столкнулось с дополнительной трудностью, обусловленной предположением, что электрон — это твердое тело. Представьте себе, что вы ударили по сферическому мячу, в результате чего мяч полетел в определенном направлении. Если бы мяч был абсолютно твердым, то он двигался бы, не меняя формы. Для этого все участки мяча должны начать двигаться одновременно. Но такое предположение противоречит принципу, утверждающему, что никакое физическое воздействие не может распространяться быстрее света. Часть поверхности мяча, удаленная от точки удара, не чувствует удара и поэтому не реагирует на него, по крайней мере, пока ударная волна (которая распространяется со скоростью меньше скорости света) не пробежит через мяч. Наоборот, область мяча, близкая к точке удара, должна начать двигаться раньше остальной части мяча. Следовательно, мяч изменит форму; он не может быть абсолютно твердым. А если электрон можно сдавить и расплющить, то в принципе его можно и разорвать на части. Но в таком случае он не был бы элементарной частицей. Мы могли бы увидеть кусочки заряженного вещества различных форм и размеров, хотя в действительности электроны неразличимы.

Чтобы избежать эту трудность, физики были вынуждены отказаться от представления об электроне как абсолютно твердом шарике. Электрон стали рассматривать как точку не имеющую структуры и размеров. Хотя подобная модель несколько смягчает остроту вопроса о том, что удерживает вместе отдельные части электрона, возникает новая трудность. Создаваемая заряженным телом электрическая сила меняется в зависимости от расстояния по закону обратных квадратов. С приближением к источнику поле возрастает. В случае точечного источника поле растет до бесконечности. Это означает, что полная электрическая энергия такой системы будет бесконечной.

Бесконечная величина энергии поля точечного электрона, казалось бы, наносит смертельный удар теории поля: если бы электрон обладал бесконечной энергией, то он был бы бесконечно тяжелым, что абсурдно. Теоретики оказались перед выборам:

либо отказаться от представления о точечном электроне, либо найти выход из тупика. И выход действительно был найден, хотя некоторые сочли его чем-то вроде жульничества. Он известен ныне как "перенормировка".

Представим себе, что мы как-то исхитрились "выключать" заряд электрона С исчезновением заряда исчезнет и создаваемое им поле, и соответствующая электрическая энергия. То, что при этом осталось, уместно назвать "голым" электроном, с которого сорвано окутывающее его электромагнитное поле. Какова же масса "голого" электрона? Наблюдаемая масса реального электрона состоит как бы из двух частей — массы "голого" электрона и массы, соответствующей энергии электрического поля. Трудность заключается в том, что масса, соответствующая энергии электрического поля, при вычислении оказывается бесконечной. Такой результат был бы бессмысленным, если бы мы действительно могли "выключить" электрический заряд электрона, поскольку ни одна физическая -величина не может получать бесконечно большое приращение. Но заряд электрона нельзя выключить. Наблюдая электрон, мы воспринимаем его в целом: и поле, и все остальное. Наблюдаемая масса, разумеется, конечна. Так стоит ли всерьез беспокоиться, если вычисления показывают, что неотделимая часть массы электрона обращается в бесконечность?

Некоторых это действительно беспокоит, но не слишком серьезно. Возникновение в уравнениях теории бесконечных членов — своего рода предупреждение о том, что не все в порядке, но если бесконечности не появляются в наблюдаемых величинах, то их можно просто игнорировать и продолжить вычисления. При этом необходимо изгнать бесконечности из формул, чтобы продолжить пользоваться ими. Для этого теоретик просто смещает, "перенормирует", нулевую точку на шкале измерения масс, сдвигая ее на бесконечно большую величину. В какой-то степени это похоже на договоренность отсчитывать высоту полета самолета не от уровня моря, а от уровня земной поверхности, только в случае электрона такое смещение имеет бесконечную величину. При этом теоретик ссылается на то, что положение нуля несущественно, поскольку на шкале масс нет выделенного начала отсчета; любой сдвиг — даже на бесконечно большую величину — в нашей власти и ненаблюдаем в реальном, физическом мире.

Благодаря этому хитроумному приему из описания электрона удается исключить бесконечные члены, которые поначалу грозили низвести теорию до абсурда. Однако на этом неприятности, связанные с квантовым описанием точечного электрона, не кончились. Возникла проблема, связанная с природой виртуальных фотонов.

Как мы уже знаем, каждый электрон окружен облаком трепещущей энергии, которое содержит множество всевозможных виртуальных частиц. Рассмотрим подробнее, как возникает это облако. Первоначально виртуальные фотоны были введены, чтобы дать квантовое описание того, как один электрон сигнализирует другому, что собирается воздействовать на него. Однако изолированный электрон может воздействовать с помощью виртуальных фотонов и на самого себя. В классической теории подобное самодействие также существует и приводит к возникновению бесконечных членов в уравнениях, описывающих поведение точечного электрона. Квантовое описание самодействия, образно говоря, означает, что электрон посылает фотоны самому себе. Диаграмма, изображающая это самодействие, изображена на рис.15; На ней показано, как испущенный электроном виртуальный фотон после непродолжительного путешествия в пространстве, возвращается назад и поглощается тем же электроном. Представление о подобном "круговороте" фотона может вызвать удивление. Но не следует забывать, что основанные на здравом смысле представления не имеют силы в квантовом мире, где крушение привычных устоев вполне обычно.

Рис.15. Заряженная частица испускает, а затем поглощает виртуальную частицу. Подобные процессы приводят к самодействию (т.е. взаимодействию частицы с самой собой), которое наделяет заряженную частицу собственной энергией. Суммарная величина энергии, соответствующей таким петлям, обращается в бесконечность.

Рис.16. Более сложные процессы самодействия также приводят к появлению в уравнениях члена с бесконечной энергией. В КЭД подобные члены, сколь бы сложны они ни были, можно устранить с помощью одной-единственной операции вычитания (перенормировки).

Таким образом, в квантовом описании электрона окружающее частицу электромагнитное поле следует рассматривать как облако виртуальных фотонов вокруг электрона, которое неотступно следует за ним, окружая его квантами энергии. Фотоны возникают и исчезают очень быстро. Фотоны, остающиеся вблизи электрона, в центре облака, имеют значительную энергию; при вычислении полной энергии фотонного облака она снова оказывается бесконечной.

Столкнувшись с такими результатами, теоретик может избавиться от бесконечно большой энергии, "перенормировав" ее, как это делалось в классической теории. Однако на этот раз все обстоит не так просто. Петля, изображенная на рис. 15, — лишь один из возможных процессов самодействия электрона. Возможны и более сложные петли самодействия, например изображенная на рис. 16. Здесь фотон создает "по дороге" виртуальную электрон-позитронную пару. Ясно, что по мере включения все более сложных петель неограниченно растет число способов, которыми электрон может воздействовать на самого себя, испуская виртуальные частицы. Каждая из таких петель вносит собственный бесконечный вклад в энергию системы. Вклад каждой мыслимой паутины таких петель оказывается бесконечным. И вместо одной-единственной бесконечности, как в классической теории, теперь мы сталкиваемся при вычислениях с нескончаемой последовательностью бесконечно больших членов. Можно попытаться изгнать бесконечности на каждом шаге, искусственно вычитая бесконечный член, но стоит расправиться с одной бесконечностью, как тотчас возникает другая. Положение кажется безвыходным.

Но от столь мрачной перспективы спасает своего рода чудо. Если эту устрашающую последовательность бесконечных членов надлежащим (с точки зрения математики) образом "упаковать", то оказывается, что от всех бесконечностей можно избавиться сразу, одним махом. Единственное вычитание бесконечности, или перенормировка, позволяет устранить любую бесконечность, какой бы сложной петлей она ни создавалась. Разумеется, тридцать лет назад, когда это чудо возникло, доказать его эффективность стоило больших усилий. Не случись это, теория превратилась бы в бессмыслицу.

Естественно, теоретики были в восторге от достигнутого результата. Приятно сознавать, что метод действительно работает, что нет более ничего загадочного во взаимодействии электронов и фотонов. Физики назвали КЭД перенормируемой теорией и занялись проверкой слабых эффектов, обусловленных виртуальными частицами, которые получили столь убедительное экспериментальное подтверждение, например, в измеренном Лэмбом сдвиге уровней энергии атома водорода и малой поправке к собственному магнитному моменту электрона. Исключительное согласие теории с экспериментом на этом уровне описания показало, что виртуальные частицы и вакуумные эффекты — отнюдь не измышления теоретиков, не плод воображения. Они действительно необходимы, чтобы обеспечить точное описание атомного мира.

Вдохновленные этим замечательным успехом, теоретики обратились к другим типам взаимодействий с целью выяснить, не сработает ли и там перенормировка. Каждое силовое поле создает собственный набор бесконечных энергий (и других бесконечных величин). Физики надеялись, что чудесное исчезновение бесконечностей в КЭД повторится и в случае других взаимодействий.

К сожалению, их надежды не оправдались. Из четырех взаимодействий, существующих в природе, только электромагнитное, по-видимому, обладало чудесным свойством перенормируемости. Частицы-переносчики других взаимодействий (как мы представляем сегодня их природу) порождают бесконечное множество рас-ходимостей, от которых не удается избавиться одним махом , как в КЭД. Теоретики вернулись к доске, чтобы с мелом в руках попытаться понять, чем секрет успеха КЭД. Вскоре стало ясно, что он имеет отношение к симметрии.

Симметрия указывает путь

Историк и писатель Ч. П. Сноу написал книгу о "двух культурах", которые существуют в современном технологическом обществе, — научной и художественной. Однако многие ученые обладают тонким художественным вкусом. Они великолепно разбираются в живописи и скульптуре, некоторые прекрасно играют на различных музыкальных инструментах, стремятся к глубокому пониманию стиля и красоты. Для ученых, особенно занимающихся теорией, сама наука может превратиться в вид искусства, тонкую смесь рационального и сверхъестественного.

В гл. 4 мы говорили о том, как эстетическое чутье влияет на развитие науки. Среди наиболее впечатляющих примеров роли эстетического начала — применение в фундаментальной физике симметрии в достаточно общем смысле. Действительно, в последние годы "симметрийная лихорадка" завладела умами в ряде областей физики. Теперь уже ни у кого не вызывает сомнения, что именно симметрия служит ключом к пониманию природы взаимодействий. По убеждению физиков, все взаимодействия существуют лишь для того, чтобы поддерживать в природе некий набор абстрактных симметрий.

Какое отношение имеет взаимодействие, или сила, к симметрии? Само предположение о существовании подобной связи кажется парадоксальным и непонятным. Сила — это то, что действует на вещество или изменяет природу частиц. Симметрия — понятие, связанное с гармонией и соразмерностью форм.

Для ответа на поставленный вопрос уточним прежде всего, что понимается под симметрией. Обычно считается, что предмет обладает симметрией, если он остается неизменным в результате той или иной проделанной над ним операции. Сфера симметрична, потому что выглядит одинаково при повороте на любой угол относительно ее центра. Арка собора симметрична, поскольку не меняет своего вида при перестановке правого и левого относительно вертикальной оси. Законы электричества симметричны относительно замены положительных зарядов отрицательными и наоборот. Число примеров можно легко увеличить.

Симметрии, на которых основан пересмотр нашего понимания четырех фундаментальных взаимодействий, совершенно особого рода. Это так называемые калибровочные симметрии. Некоторые простые примеры проявления этих абстрактных симметрий, например инвариантность законов механики относительно изменения отсчета (нулевого уровня) высоты, были приведены в гл. 4. Калибровочные симметрии связаны с идеей калибровки путем изменения отсчета уровня, масштаба или значения физической величины. Система обладает калибровочной симметрией, если ее природа остается неизменной при такого рода преобразовании. Попытаемся на простом примере разобраться, как абстрактное понятие калибровочного преобразования можно связать с более конкретным представлением о физической силе.

Представьте себе, что вы находитесь на борту космического корабля, летящего равномерно и прямолинейно в мировом пространстве вдали от планет и других небесных тел. Вы не ощущаете ни действия каких-либо сил, ни самого движения. Вы пребываете в состоянии полной невесомости и свободно парите в кабине. Вообразить такую картину не составляет особого труда.

Теперь подвергнем этот сценарий калибровочному преобразованию. Иначе говоря, попытаемся изменить описание путем калибровочного преобразования, т.е. изменения масштаба, некоторой величины, в данном случае — расстояния. Предположим, что космический корабль по-прежнему движется в пространстве с постоянной скоростью, но уже по траектории, проходящей параллельно предыдущей на расстоянии 1 км от нее. Что означало бы такое калибровочное преобразование для пассажира космического корабля? Ровно ничего, если говорить о силах. Пассажир испытывал бы те же ощущения, что и в предыдущем сценарии. Точнее, поведение физических объектов вокруг пассажира абсолютно не зависит от того, по какой прямолинейной траектории движется корабль. Ясно, что в этом примере проявляется некая симметрия. Ее можно выразить утверждением, что законы физики инвариантны (т.е. неизменны) относительно параллельного переноса (или сдвига) при калибровке расстояния. Но пока силы по-настоящему не участвовали в нашем рассмотрении.

При калибровочном преобразовании траектория космического корабля оставалась прямолинейной. Пространственный сдвиг был одинаков у всех точек траектории. Иначе говоря, калибровочное преобразование было всюду одинаковым — подобное преобразование физики называют "глобальным" калибровочным преобразованием Глобальный характер важен: если бы калибровочное преобразование непрерывно изменялось вдоль траектории космического корабля, то преобразованная траектория представляла бы собой извилистую линию. У космического корабля, запрограммированного для полета по такой траектории, должны были бы непрерывно работать двигатели, а пассажира при каждом маневре бросало бы из стороны в сторону. Он испытывал бы действие сил. Маневрирование сказалось бы на поведении всех физических объектов внутри корабля. Калибровочные преобразования, изменяющиеся от точки к точке, известны под названием "локальных" калибровочных преобразований. Совершенно очевидно, что законы физики не инвариантны относительно локальных калибровочных преобразований, искривляющих траекторию космического корабля и причиняющих пассажиру столько неприятностей. А может быть, они все же инвариантны?

Для простоты предположим, что после калибровочного преобразования космический корабль запрограммирован для полета по круговой траектории с постоянной скоростью. Астронавт ощущает кривизну траектории, так как уже не находится в состоянии невесомости. Теперь он не будет свободно парить — центробежная сила прижимает его к стенкам корабля. Физические явления на борту космического корабля, движущегося по круговой орбите, существенно отличаются от того, что происходит на борту корабля, движущегося равномерно и прямолинейно.

Представьте себе, что вы и есть тот астронавт, который описывает на борту корабля круг за кругом в космическом пространстве. Вы засыпаете и, проснувшись, обнаруживаете, что снова находитесь в невесомости. "Должно быть, — подумаете вы, — космический корабль снова летит равномерно и прямолинейно". Но выглянув в иллюминатор, вы к своему удивлению увидите вокруг себя звезды. Каким образом, двигаясь по окружности, можно оставаться в состоянии невесомости? Посмотрев в иллюминатор на противоположной стене, вы поймете причину: корабль движется по круговой орбите вокруг планеты.

Одна из наиболее занимательных картин в реальном космическом полете — свободное парение астронавта в состоянии почти полной невесомости при движении космического корабля" по орбите вокруг Земли. То, что испытывает при этом реальный астронавт, не отличимом от ощущений астронавта, движущегося в межзвездном пространстве равномерно и прямолинейно. В этом заключен глубокий физический принцип: явления, сопровождающие полет по криволинейной траектории вокруг планеты, ничем не отличаются от происходящих при равномерном и прямолинейном движении в глубоком космосе. Причина такого совпадения ясна: гравитация (тяготение) планеты в точности компенсирует эффекты, вызванные кривизной траектории космического' корабля. Физики говорят в этом случае, что гравитация создает компенсирующее поле; она строго компенсирует отклонение системы от прямолинейного движения. Разумеется, мы выбрали простой пример кругового движения. В случае полета космического корабля по извилистой линии для компенсации понадобилось бы гораздо более сложное гравитационное поле. Но коль скоро траектория космического корабля задана, можно рассчитать и гравитационное поле, способное восстановить комфорт и невесомость пассажиров. В принципе гравитацию всегда можно использовать для устранения сильной тряски на неустойчивой траектории.

Из всего сказанного следует весьма важный вывод. Законы физики можно сделать инвариантными даже относительно локальных калибровочных преобразований, если ввести гравитационное поле для компенсации изменений от точки к точке. Физики предпочитают пользоваться обратным утверждением, а именно: гравитационное поле поддерживает в природе локальную калибровочную симметрию, возможность свободно изменять масштаб от точки к точке пространства. В отсутствие гравитации возможна только глобальная симметрия; не нарушая законов физики, можно только переходить от одной прямолинейной траектории к другой. При наличии гравитации возможно преобразование к траекториям любой формы без нарушения законов физики. Напомним, что под симметрией мы понимаем инвариантность относительно некой операции. Симметрия, о которой только что говорилось, — это инвариантность законов физики относительно любых изменений формы траектории движения. С этой точки зрения гравитационное взаимодействие представляет собой проявление абстрактной симметрии, локальной калибровочной симметрии, лежащей в основе законов реального мира. Словно Творец сказал сам себе: "Мне так нравятся красота и симметрия! Прекрасно, если. повсюду воцарится калибровочная симметрия. Да будет так! Но что я вижу? Попутно возникло и новое поле. Назовем его гравитацией".

Значение концепции калибровочной симметрии заключается в том, что благодаря ей создается не только гравитационное, а и все четыре фундаментальных взаимодействия, встречающиеся в природе. Все их можно рассматривать как калибровочные поля. В квантовом описании калибровочные поля связаны с частицами вещества и концепцию калибровочного преобразования следует расширить, связав с фазой квантовой волны, описывающей частицу. Входить в технические детали этой процедуры вряд ли стоит. Существенно другое: в природе существует целый ряд локальных калибровочных симметрий и необходимо соответствующее число полей для компенсации этих калибровочных преобразовании. Силовые поля можно рассматривать как средство, с помощью которого в природе создаются присущие ей локальные калибровочные симметрии. С этой точки зрения, например, электромагнитное поле не просто определенный тип силового поля, существующего в природе, а проявление простейшей из известных калибровочных симметрий, совместимой с принципами специальной теории относительности. Калибровочные преобразования в этом случае соответствуют изменениям потенциала от точки к точке.

Интересно отметить, что физик-теоретик, ничего не знающий об электромагнетизме, но убежденный, что природа зиждется на симметрии, мог бы сделать вывод о существовании электромагнитных явлений, основываясь лишь на требовании простейшей локальной калибровочной симметрии и так называемой симметрии Лоренца—Пуанкаре специальной теории относительности, о которой мы упоминали в гл. 4. Используя математику и основываясь только на существовании этих двух симметрий, теоретик смог бы построить уравнения Максвелла, не проведя ни единого эксперимента по электричеству и магнетизму и даже не подозревая об их существовании. При этом он, возможно, рассуждал бы так1 коль скоро упомянутые симметрии — простейшие и наиболее утонченные, вряд ли природа не воспользовалась бы ими. Исходя из подобных чисто умозрительных соображений, теоретик пришел бы к выводу о существовании в реальном мире электромагнитных явлений. Он мог бы пойти и дальше: вывести все законы электромагнетизма, доказать существование радиоволн, возможность создания динамо-машины и т.д., т.е. совершить все те открытия, которые в действительности были сделаны на основе реальных экспериментов. Могущество математического анализа, используемого для описания явлений природы, столь велико, что позволяет предвидеть такие особенности, о существовании которых мы и не помышляли.

Калибровочная симметрия — гораздо более важное понятие, чем просто изящный математический прием. В ней скрыт ключ к построению квантовых теорий взаимодействий, свободных от разрушительного действия бесконечных членов уравнений, о чем шла речь в предыдущем разделе. Калибровочная симметрия, как оказалось, тесно связана с перенормируемостью. Чудо КЭД основано на глубокой и простой симметрии, присущей электромагнитному полю. Это наводит на мысль о том, что трудности квантового описания трех других взаимодействий, по-видимому, связаны с тем, что нам не удалось обнаружить полный набор скрытых в них симметрий. Например, если бы теорию слабого взаимодействия можно было сформулировать на языке калибровочных полей, то это способствовало бы успешному построению квантового описания этого взаимодействия.

На первый взгляд, однако, кажется, что на пути к осуществлению такой программы возникает серьезное препятствие. Одна из особенностей калибровочных полей состоит в том, что эти поля — дальнодействующие. Возможность проведения калибровочных преобразований в любой точке требует, чтобы компенсирующие поля действовали во всем пространстве. Для гравитации и электромагнетизма, простирающихся в пространстве и оказывающих влияние на удаленные объекты, это нормально, но слабое взаимодействие существует только на очень малых расстояниях. На квантовом языке это означает, что гравитон и фотон имеют нулевые массы покоя, а переносчики слабого взаимодействия, W и Z-частицы, чрезвычайно массивны. Казалось, что это кладет конец всяким попыткам описания слабого взаимодействия на языке калибровочных полей. Но в 60-е годы в столь неопровержимом на первый взгляд аргументе была обнаружена трещина, и в физике произошел один из случающихся время от" времени гигантских скачков.