Розділ без назви (27)

Як наслідок можливі ґрунтовні наслідки надпровідності для розуміння фізики фундаментальних частинок не були швидко осягнуті фізичною спільнотою й залишилися схованими в тіні.

Утім, версія, що ми живемо в чомусь на зразок космічного надпровідника, виглядає надто натягнутою, щоб у неї можна було повірити. Зрештою, люди здатні фантазувати різні небилиці для пояснення чогось незбагненного, вигадуючи різні фантастичні та приховані причини на кшталт богів і демонів. Чи можна вважати твердження про існування в усьому просторі якогось прихованого конденсату полів, який пояснює непоясненні натомість сильні ядерні сили, хоч трохи більш правдоподібним?

Розділ 16. Стерпна важкість буття: симетрію порушено, фізику полагоджено

Позбирайте куски позосталі, щоб ніщо не загинуло.

Від Івана 6:12

Природі, як і багатьом людським драмам, притаманна дивовижна поезія. А в моїх улюблених давньогрецьких епосах, створених у часи, коли Платон писав про свою печеру, постає загальна тема: знаходження чудового скарбу, доти схованого від людських очей, який дістає маленький та везучий загін малоприємних мандрівників, які після знаходження цього скарбу змінюються назавжди.

О, яке ж це щастя. Саме можливість цього спонукала мене вивчати фізику, адже романтика можливого першовідкриття якогось нового та чудового прихованого закутка природи вабила непереборно. Ця оповідь повністю присвячена саме таким моментам, коли поезія природи зливається з поезією людського існування.

Поетичність значною мірою притаманна майже кожному аспекту епізодів, про які я збираюся розповісти. Нині, у другому десятилітті ХХІ століття, можна легко погодитися стосовно того, які з видатних теорій ХХ століття є найчудовішими. Проте для того, аби оцінити справжню драму прогресу науки, необхідно зрозуміти, що в той час, коли їх пропонують уперше, чудові теорії нерідко не є настільки ж звабливими, як роки по тому, подібно до вишуканого вина чи далекого кохання.

Тож сталося так, що ідеї Янга, Міллза, Швінґера та решти, які ґрунтувалися на математичній поезії калібрувальної симетрії, не змогли свого часу ані стати джерелом натхнення, ані конкурувати з ідеєю, що квантова теорія поля, найкращим уособленням якої була квантова електродинаміка, не є продуктивним підходом для опису інших сил природи, а саме слабких та сильних ядерних сил. Багато хто вважав, що до таких сил, які діють на коротких відстанях, властивих масштабу атомних ядер, слід застосовувати нові правила й що колишні методики тут не підходять.

Аналогічно пізніші спроби Намбу та Андерсона застосувати ідеї з фізики матеріалів, яка також називається фізикою багатьох тіл або фізикою конденсованих середовищ, до субатомного царства, багато фізиків елементарних частинок відкинули, позаяк глибоко сумнівалися, що ця нова галузь здатна хоч якось покращити розуміння «фундаментальної» фізики. Скептицизм фізичної спільноти озвучив чудовий теоретик Віктор Вайскопф, який на семінарі в Корнелльському університеті буцімто сказав: «Нині фізики елементарних частинок доведені до такого розпачу, що їм доводиться робити запозичення з новинок у фізиці багатьох тіл… Можливо, щось із того й вийде».

Цей скептицизм був небезпідставним. Зрештою, Намбу стверджував, що спонтанне порушення симетрії може пояснити великі та подібні маси протонів і нейтронів, і він сподівався, що вона це зробить, одночасно пояснивши, чому піон набагато легший. Проте в основі запозичених вченим ідей лежало розуміння, що ознакою спонтанного порушення симетрії є існування строго безмасових, а не дуже легких частинок.

Робота Андерсона також була цікавою, ніде правди діти. Утім, те, що вона була написана в контексті нерелятивістської моделі конденсованого середовища й до того ж порушувала теорему Ґолдстоуна з фізики елементарних частинок, з якої випливала нероздільність порушення симетрії й безмасових частинок, призвело до того, що його твердження про зникнення безмасових станів у його прикладі, тобто в електромагнетизмі в надпровідниках, більшість фізиків елементарних частинок також проігнорували.

Проте Джуліан Швінґер не полишав ідею, що калібрувальна симетрія Янга — Міллза може пояснити ядерні сили, і продовжував стверджувати, що янг-міллзівські протони можуть бути масивні, щоправда, не демонструючи, як таке можливе.

Робота Швінґера привернула увагу сумирного молодого британського теоретика Пітера Хіггса, на той час викладача математичної фізики в Единбурзькому університеті. Він був людиною тихої вдачі, і ніхто й подумати не міг, що він стане революціонером. Проте він був змушений стати революціонером, хоча через деяких короткозорих редакторів журналів ледь не втратив свій шанс.

1960 року Хіггса, який щойно прийшов на посаду, попросили попрацювати в комітеті, який організовував першу Літню школу шотландських університетів із фізики. Вона стала поважною школою, присвяченою різним галузям фізики. Приблизно раз на чотири роки впродовж трьох тижнів успішні докторанти та молоді постдокторанти відвідують лекції старших науковців із фізики елементарних частинок у перервах між стравами, які запивають вишуканими винами, а потім — міцним віскі. Того року серед студентів були майбутні нобелівські лауреати Шелдон Ґлешоу та Мартінус Велтман, а також Нікола Кабіббо, який, на мою думку, теж мав би здобути цю премію. Імовірно, Хіггс, якого призначили сомельє9, помітив, що ці троє студентів не відвідують ранкових лекцій. Вони, судячи з усього, проводили вечори, обговорюючи фізику та попиваючи вино, яке нишком виносили з їдальні впродовж частувань. Тоді Хіггс не мав змоги долучитися до їхніх дискусій, тож не дізнався від Ґлешоу про його новітню пропозицію щодо об’єднання електромагнітної та слабкої сил, яку він уже подав на публікацію.

Шотландським літнім школам притаманна власна поезія. Вони почергово проводяться в різних місцях і періодично повертаються до чудового узбережного міста Сент-Ендрюс, розташованого якраз поруч зі славетним Старим полем, де народився гольф. 1980 року в рамках школи, яка проходила в Сент-Ендрюсі, читали лекції свіжоспечений нобелівський лауреат Ґлешоу та знаменитий колишній учень Велтмана Герард ‘т Гофт, і я мав честь відвідувати їх як докторант.

Я прибув пізно, і мені припала найменша кімната, на горищі з видом на Старе поле, і насолоджувався не лише фізикою, а й алкоголем, а також програшами в грі на випивку з одним із лекторів, оксфордським фізиком Гремом Россом, на сусідньому полі для мінігольфу, яке небезпідставно прозвали «Гімалаями». ‘Т Гофт був не лише фізиком майже неземного таланту, а й неабияким художником. 1980 року він переміг на щорічному шкільному конкурсі з дизайну футболок, і я досі зберігаю футболку з його малюнком і автографом. Не можу примусити себе розлучитися з нею, хоч би як мене вабив eBay. (Двадцять років по тому, 2000-го, я повернувся до цієї літньої школи, проте цього разу як лектор. На відміну від Ґлешоу, ‘т Гофта, Велтмана та Хіггса, я не привіз Нобелівської премії, проте нарешті дістав змогу поносити кілт. Ще одна галочка в списку зробленого.)

Відпрацювавши в літній школі 1960 року, Хіггс почав читати літературу із симетрії та порушення симетрії, вивчаючи праці Намбу, Ґолдстоуна, Вайнберґа та Андерсона. Хіггса пригнічувало неможливе на перший погляд завдання примирити теорему Ґолдстоуна з можливістю існування масивних векторних янг-міллзівських частинок, які можуть переносити сильну силу. Але потім, того чарівного 1964 року, коли Гелл-Манн увів поняття кварків, Хіггс прочитав дві статті, які подарували йому надію.

Першою була стаття Авраама Кляйна та Бена Лі, який на момент своєї загибелі в автокатастрофі дорогою на з’їзд фізиків був одним із найблискучіших молодих фізиків елементарних частинок у світі. Вони пропонували спосіб уникнути теореми ґолдстоуна та позбутися неспостережуваних натомість безмасових частинок у квантових теоріях поля.

Далі Волтер Ґілберт, молодий фізик із Гарварду — який невдовзі вирішить полишити сповнену бентежень фізику елементарних частинок заради більш тепличних умов молекулярної біології, де здобуде Нобелівську премію за сприяння розробці методу секвенування ДНК, — написав статтю, у якій показав, що розв’язання, яке запропонували Кляйн і Лі, схоже, призводить до протиріччя з теорією відносності, а отже, сумнівне.

Як ми вже бачили, калібрувальні теорії мають цікаву властивість, яка дозволяє довільно змінювати визначення позитивних та негативних зарядів у кожній точці простору без зміни будь-яких спостережуваних фізичних властивостей системи за умови, що електромагнітне поле має можливість як зберегти свої наявні взаємодії, так і змінитися таким чином, щоби правильно врахувати ці нові локальні варіації. Як наслідок можна здійснювати математичні обрахунки за будь-якого калібрування, тобто використовуючи будь-які конкретні локальні визначення зарядів та полів, консистентних із симетрією. Перехід від одного калібрування до іншого здійснюють за допомогою відповідного перетворення симетрії.