Намбу, как и других, поражали почти равные массы протона и нейтрона. Ему, как в свое время Янгу и Миллсу, казалось, что такое совпадение должно быть результатом действия какого-то глубинного закона природы. Намбу, однако, предположил, что ключ к решению может дать феномен сверхпроводимости, в особенности вид новой шкалы собственных энергий, которая связана с энергией возбуждения, необходимой для разрушения конденсата из куперовских пар.
На протяжении трех лет Намбу разбирался, как можно приспособить эту идею к нарушениям симметрии в физике элементарных частиц. Он предложил модель, согласно которой в природе может существовать аналогичный конденсат некоторых полей, и минимальная энергия, необходимая для создания возбуждения в этом конденсированном состоянии, может быть той самой большой собственной массой/энергией, связанной с протонами и нейтронами.
Намбу и независимо от него физик Джеффри Голдстоун выяснили, что признаком такого нарушения симметрии было бы существование других безмассовых частиц, известных в настоящее время как бозоны Намбу – Голдстоуна (НГ), или голдстоуновские бозоны, взаимодействие которых с остальным веществом отражало бы также природу нарушения симметрии. Здесь можно провести своеобразную аналогию с более знакомой системой, такой как ледяной кристалл, где спонтанно нарушается симметрия относительно пространственного переноса, поскольку движение в одном направлении резко отличается от движения в другом. Но в таком кристалле возможны крошечные колебания отдельных атомов кристаллической решетки относительно своих равновесных положений. Эти колебательные моды, называемые, как я уже говорил, фононами, способны содержать в себе сколь угодно малое количество энергии. В квантовом мире физики элементарных частиц эти моды отразились бы как безмассовые частицы Намбу – Голдстоуна, поскольку там, где явно проявляется эквивалентность между энергией и массой, возбуждения, способные нести малую энергию или не нести никакой, соответствуют частицам с нулевой массой.
И вдруг – подумать только! – оказалось, что открытые Пауэллом пионы очень близко подходят под это описание. У них не то чтобы совсем отсутствует масса, но они намного легче остальных частиц, участвующих в сильном взаимодействии. Их взаимодействия с другими частицами имеют характеристики, ожидаемые для НГ-бозонов, которые могут существовать, если в природе имелось некоторое явление, нарушающее симметрию, энергия возбуждения для которого соответствовала бы по масштабу массе/энергии протонов и нейтронов.
Но, несмотря на всю важность работы Намбу, и сам он, и почти все его коллеги в данной области просмотрели связанное с ней, но гораздо более глубокое следствие спонтанного нарушения симметрии в теории сверхпроводимости, которое позже дало ключ к раскрытию подлинной загадки сильного и слабого ядерных взаимодействий. Внимание Намбу к нарушениям симметрии было совершенно оправданно, но аналогии, которые он и другие исследователи проводили со сверхпроводимостью, были неполны.
А на самом деле мы гораздо сильнее похожи на физиков, обитающих на ледяном кристалле изморози, чем можем себе представить. Зато нетрудно вообразить, что, как и у этих физиков, наша близорукость далеко не сразу была замечена физическим сообществом.
Жизнь внутри сверхпроводника
Ложь говорит каждый своему ближнему; уста льстивы, говорят от сердца притворного.
Псалтырь 11:2Сейчас ошибки прошлого могут показаться очевидными, но не забывайте, что объекты, наблюдаемые в зеркале заднего вида, часто оказываются ближе, чем кажется. Легко критиковать наших предшественников за упущения, но и то, что сегодня ставит нас в тупик, нашим потомкам может показаться очевидным. Работая на переднем крае науки, мы движемся по тропе, зачастую скрытой в тумане.
Аналогия со сверхпроводимостью, которую впервые использовал Намбу, полезна, но в основном по совершенно иным причинам, чем думали в свое время Намбу и другие. Задним числом ответ может показаться чуть ли не очевидным, как становятся очевидными после финала все намеки и детали, указывающие на убийцу в романах Агаты Кристи. Но, как и в этих детективах, на пути исследователя возникает множество отвлекающих деталей, а тупиковые направления делают полученное в конечном итоге решение еще более неожиданным.
Можно только посочувствовать физикам в той неразберихе, что царила тогда в исследованиях элементарных частиц. Вводились в строй новые ускорители, и всякий раз, когда преодолевался новый порог энергии столкновения, перед изумленным взором ученых появлялись новые сильно взаимодействующие родичи нейтронов и протонов. Процесс казался бесконечным. Это обескураживающее разнообразие заставляло и теоретиков, и экспериментаторов сконцентрироваться на загадке сильного ядерного взаимодействия: казалось, что именно в нем заключается самый серьезный вызов существующей теории.
Казалось, микромир можно описать как потенциально бесконечное число элементарных частиц со все возрастающими массами. Но все это плохо сочеталось с идеями квантовой теории поля – успешной концепции, сумевшей чудесно объяснить релятивистское квантовое поведение электронов и фотонов.
Физик Джеффри Чу из Университета в Беркли возглавил работу над популярной и влиятельной программой разрешения этой проблемы. Чу отказался от идеи существования каких бы то ни было по-настоящему фундаментальных частиц и от всякой микроскопической квантовой теории с участием точечных частиц и связанных с ними квантовых полей. Вместо этого он предположил, что все наблюдаемые частицы, участвующие в сильном взаимодействии, вовсе не являются точечными, а представляют собой сложные связанные состояния других частиц. С этой точки зрения редукция к первичным фундаментальным объектам невозможна. Такая дзеновская картина была весьма уместной для Беркли 1960-х гг. Все частицы мыслились в ней состоящими из других частиц. Это так называемая бутстрапная модель, в которой никакие элементарные частицы не считались первичными или особыми. Поэтому такой подход называли также ядерной демократией.
Этот подход получил поддержку многих физиков, успевших уже разочароваться в квантовой теории поля как инструменте для описания любых взаимодействий, за исключением самых простых взаимодействий между электронами и фотонами. Однако некоторые ученые были так впечатлены успехом квантовой электродинамики, что попытались выстроить аналогичную ей теорию сильного ядерного взаимодействия (такое название за ним закрепилось) по лекалам, предложенным ранее Янгом и Миллсом.
Один из этих физиков, Дж. Сакураи, опубликовал в 1960 г. статью, довольно амбициозно озаглавленную: «Теория сильных взаимодействий». Сакураи всерьез воспринял предложение Янга и Миллса и попытался досконально разобраться, какие из фотоноподобных частиц могли бы переносить сильное взаимодействие между протонами, нейтронами и другими новооткрытыми частицами. Поскольку сильное взаимодействие проявляется только на малых расстояниях, не превышающих размеров ядра, представлялось разумным, что частицы, необходимые для переноса этого взаимодействия, должны быть массивными, что несовместимо с какой бы то ни было точной калибровочной симметрией. Но, с другой стороны, они должны были обладать многими свойствами, аналогичными свойствам фотонов, и иметь спин, равный 1, – так называемый векторный спин. Новые предсказанные частицы назвали массивными векторными мезонами. Они должны были связываться с различными токами сильно взаимодействующих частиц, так
