Специальный нобелевский выпуск

12 октября 1999

Физики главного калибра

Шведская Королевская Академия присудила Нобелевскую премию по физике за 1999 год совместно

профессору Герардусу 'т Хоофту (Утрехтский университет, Нидерданды) и
почетному профессору Мартинусу Вельтману (Бильтховен, Нидерланды)

за

"объяснение квантовой структуры электрослабых физических взаимодействий"".

Пожалуй, я не до такой степени разбираюсь в физике, чтобы со знанием дела проанализировать вклад лауреатов в эту область. Поэтому придется ограничиться популярным изложением пресс-релиза Нобелевского комитета.

После того, как в 50-е годы появились достаточно мощные ускорители, новые элементарные частицы начали открывать чуть ли не каждый день. Высокоэнергетичные столкновения "обычных" частиц - электронов, позитронов, протонов - порождают множество других, и они, как и силы, действующие между частицами, впервые стали доступны для исследований. Примерно в то же время началось и создание теоретических моделей, призванных объяснить события, происходящие при взаимодействии элементарных частиц. Сейчас эти теории более-менее унифицированы, и общепринятой считается так называемая стандартная модель. Согласно ей, элементарными частицами считаются кварки и лептоны, которые взаимодействуют через сильные и электрослабые взаимодействия с помощью глюонов (для первых), фотонов и калибровочных бозонов (для вторых).

Первые теоретические модели грешили значительной неточностью. Предсказать на их основе характеристики частиц, которые должны рождаться в каком-нибудь процессе, удавалось с большим трудом, а то и вовсе не удавалось. Заслуга 'т Хоофта и Вельтмана прежде всего в том, что они сумели подвести под стандартную модель надежный математический фундамент.

Современная теория для описания элементарных частиц является калибровочной, то есть построена с учетом калибровочной симметрии. Простейший пример калибровочной симметрии - это электрический потенциал (как и любая потенциальная функция). Если к величине потенциала во всех точках электрического поля добавить константу, то разность потенциалов между двумя точками не изменится. Величине потенциала в любой точке можно произвольно приписать нулевое значение и перекалибровать всю функцию в соответствии с этим новым нулем. Электромагнитное поле обладает абелевой калибровочной симметрией, то есть, если заданы несколько перекалибровок, порядок их осуществления неважен для общего результата.

(Чтобы подробнее проиллюстрировать концепцию абелевых и неабелевых трансформаций, можно воспользоваться обыкновенным карандашом. Вращение на плоскости - абелева трансформация. Положите карандаш параллельно краю стола кончиком направо и поверните его сначала на 90є против часовой стрелки, а потом на 180є по часовой стрелке. Карандаш показывает кончиком на вас. Теперь опять положите его, как в начале, но поверните сперва на 180є по часовой стрелке, а потом на 90є против часовой стрелки. Он опять показывает кончиком на вас. Конечный результат не зависит от последовательности трансформаций. А вот вращение в трехмерном пространстве - неабелева трансформация. Карандаш возьмите в руки, параллельно крышке стола и опять кончиком направо. Поверните его на 180є против часовой стрелки в плоскости, параллельной крышке стола (кончик уставится влево), а потом на 90є по часовой стрелке в плоскости, параллельной вашей груди (кончик смотрит вверх). Если же вы попробуете изменить последовательность операций, после первого вращения карандаш будет направлен вниз, а второе сведется к повороту его вокруг своей оси, и он все равно будет смотреть вниз!)

Электромагнитное взаимодействие было исторически первым, которое физики смогли выразить в квантовомеханических категориях. В 1920-х годах начались попытки создания квантовой теории электромагнитного поля. Но долгое время они оставались чисто теоретическими и малопригодными для расчета реальных взаимодействий. Дело в том, что взаимодействие электромагнитного поля с заряженной частицей в рамках квантовомеханических представлений ведет к появлению в ее окрестностях множества короткоживущих виртуальных частиц. Возникает с трудом решаемая задача со многими зарядами. В 1940-х годах Синъитиро Томонага, Джулиус Швингер и Ричард Фейнман решили эту проблему и создали квантовую электродинамику. Они предложили "ренормализовать" абелеву калибровочную теорию для электромагнитного взаимодействия. Выражаясь человеческим языком, вместо одной реальной частицы и большого числа виртуальных частиц вокруг нее, квантовая электродинамика рассматривает одну "комбинированную" частицу, состоящую из центральной части и виртуального "облака". Разумеется, заряд и масса такой комбинированной частицы не совпадает с соответствующими характеристиками центральной частицы. Формулы квантовой электродинамики позволяют предсказывать поведение комбинированной частицы и были проверены неоднократно и с большой точностью. Например, предсказанное отношение магнитного момента к электрону к его угловому моменту совпадает с экспериментально измеренным с точностью до десятого знака!

С другими типами взаимодействий в физике было хуже. В 1930-х годах появилась первая теория слабых взаимодействий, которая была еще меньше приспособлена для вычислений, чем теория поля до квантовой электродинамики. Пуще того, метод ренормализации, так хорошо сработавший для электромагнитного поля, не смог исправить ситуацию. Только в 1950-х годах ученые предположили, что нужно отказаться от попыток построения абелевой калибровочной теории и перейти к неабелевой. Таковая была создана, предсказала существование новых частиц - калибровочных бозонов, и после их экспериментального обнаружения была общепризнана. Эта теория является общей для слабых и электромагнитных сил, которые сведены в ней в единый класс электрослабых взаимодействий. Но количественная сторона ее все равно хромала. Попытки предсказать свойства калибровочных бозонов, например, давали результаты, слабо согласующиеся с опытом.

В конце 1960-х годов молодой профессор Утрехтского университета Мартинус Вельтман написал компьютерную программу "Schoonship", которая позволяла намного упростить расчет по зубодробительным формулам теории электрослабых взаимодействий. Для электромагнитных сил нечто подобное сделал в свое время Ричард Фейнман, у которого компьютера не было, и которому пришлось изобрести "диаграммы Фейнмана" - элегантный графический метод упрощения расчетов квантовой электродинамики. Вельтман же использовал свою программу для проверки разных моделей ренормализации неабелевой калибровочной теории. Но самому ему нкиак не удавалось создать подходящую модель. В 1969 году в его группу пришел 22-летний аспирант, которого звали Герардус 'т Хоофт. Было ли это везение или искра гения - неясно, но то, что за два года 'т Хоофт придумал модель, которая, будучи загнанной в компьютер Вельтмана, работала - это факт. Совместными усилиями профессор и вчерашний студент довели теорию до совершенства.

Только в последние годы физики в полной мере смогли оценить всю мощность модели Вельтмана - 'т Хоофта. В Европейском Центре ядерных исследований (ЦЕРН) были в изобилии получены калибровочные бозоны и измерены многие их характеристики, в точности совпавшие с предсказанными. Еще более впечатляющим стало предсказание массы топ-кварка, самого тяжелого из кварков. Он был открыт только в 1995 году, но массу его 'т Хоофт и Вельтман вычислили за несколько лет до того. Все совпало.

У теории Вельтмана - 'т Хоофта остался еще один экзамен, который она будет держать через несколько лет. Она предсказывает существование еще одной частицы - бозона Хиггса, который несет ответственность за появление у элементарных частиц массы. Но энергия, при которой он должен рождаться, будет доступна только после ввода в строй Большого Адронного коллайдера в ЦЕРНе в 2005 году. Судя по сегодняшнему решению, Нобелевский комитет уверен, что бозон Хиггса наверняка найдется.

Ссылки:

1. http://www.nobel.se/announcement-99/physics99.html - пресс-релиз Нобелевского комитета.

Обратно к списку заметок