СИММЕТРИЯ СПЕШИТ НА ПОМОЩЬ

Все началось в 1934 году, когда Энрико Ферми попытался придать математическую форму большому количеству закономерностей, которые наблюдались в экспериментах по бета-распаду. Распад нейтрона на протон, электрон и нейтрино был в те годы единственным известным процессом, который, как считалось, проходил при помощи слабых сил. В общих чертах описание Ферми было похоже на теорию электромагнитных сил, правда там частицы обмениваются переносчиком взаимодействия — фотоном, а в его модели они действовали друг на друга лишь при непосредственном контакте.

Однако у модели Ферми очень скоро возникли проблемы математического характера: уже в 1936 году Вернер Гейзенберг столкнулся с проблемой расходимости на высоких энергиях (выше 10 ГэВ). При попытке более точных расчетов в решениях появлялись расходящиеся интегралы, которые при вычислении давали бесконечности. Такие решения, конечно, нельзя было интерпретировать с точки зрения физики, поэтому с уравнениями надо было что-то делать (кстати, в нынешней версии теории лекарством от этих зловредных бесконечностей служат те самые бозоны Хиггса).

Гигаэлектронвольт (ГэВ) — распространенная в ускорительной и ядерной физике единица измерения энергии и массы (согласно широко известной формуле Е = тс2 массу объекта можно отождествлять с энергией, что и делают ученые-элементарщики, им так проще). Один ГэВ равен 109 электронвольт. В свою очередь электронвольт взялся прямиком из ускорительной физики. Как известно, заряженные частицы ускоряют в электрическом поле. Так вот, энергию в один электронвольт приобретает электрон, прошедший сквозь поле с напряженностью в один вольт.

В 1949 году для похожей проблемы в квантовой электродинамике ученые разработали математическую процедуру, которую назвали перенормировкой. Но к теории Ферми ее применить не удалось, а дальнейшие исследования показали, что она и вовсе не может быть перенормирована. Энрико Ферми был, безусловно, гениален, и большинство его постулатов все-таки пригодилась следующим поколениям ученых, однако целиком его теория слабых сил пасовала действительностью и нуждалась в улучшениях.

Для того чтобы выйти из сложившейся ситуации, ученым пришлось поменять подход к задаче и обратиться к математическому аппарату теории групп, который оперирует симметриями.

Симметрия присуща всему, что нас окружает, а любые физические законы являются ее проявлением. Это необходимо использовать, если мы хотим описать поведение реальных систем на языке математики. Математике известно много различных видов симметрий. Бывает такое, что система и ее зеркальное отражение ведут себя одинаково, или, например, поведение системы не меняется при повороте в пространстве, или при обращении времени два процесса превращаются друг в друга. Ученые записывают все эти кунштюки математически в лагранжиане, а мы с легкостью можем вообразить себе, как лабораторию с частицами отражают в зеркале или переворачивают в пространстве. Бывают и более общие симметрии, которые выражаются в сложных преобразованиях функций — их довольно сложно себе представить, поэтому мы не будем этим заниматься.

Одну из таких сложных симметрий (ее еще называют калибровочной) ученые приспособили для описания фундаментальных взаимодействий. В 1954 году Янг Чжэньнин (Chen Ning Yang) и Роберт Миллс придумали математический язык — теорию калибровочных полей, на основе которой через некоторое время другие физики смогли адекватно описать три из четырех видов взаимодействия: сильные, электромагнитные и слабые.

Полями Янга — Миллса в скором времени воспользовался Шелдон Глэшоу, для того чтобы объединить электромагнитные и слабые взаимодействия в одной модели. Он достиг успеха в своих исследованиях: таким образом, ему удалось сделать то, к чему в те годы стремились многие физики. Зачем ученым понадобилось это объединение? Дело в том, что физики всегда стремились к простоте и стройности своих формул, поэтому, как только стало известно, что в природе, по всей видимости, действует четыре вида сил, многим захотелось описать их как разные проявления одного всеобщего взаимодействия (Максвеллу ведь удалось свести воедино электричество, магнетизм и свет).

Понравилась статья? Поделиться с друзьями: