8.7. Единая теория поля

Перспективы описания всего происходящего в природе, на основе одной единственной теории «суперсилы», всегда привлекали к себе внимание специалистов. Физики считают, что осуществление этой мечты вполне возможно и может стать реальностью. Решающий шаг на пути к созданию единой теории поля был сделан в 60-е годы XIX века. В 1865 г. Максвелл создал единую теорию, охватившую как электрические, так и магнитные явления, т.е. он создал теорию электромагнитных волн. Согласно этой теории электромагнитные волны, в вакууме, создавая друг друга, распространяются со скоростью света.

Эйнштейн, в 20-х годах ХХ века, предпринял попытку объединить электромагнитное взаимодействие с гравитационным взаимодействием. Однако это ему не удалось. Во времена Эйнштейна еще не были известны фундаментальные сильные и слабые взаимодействия. На основе квантовой механики и теории электромагнетизма удалось создать квантовую электродинамику (КЭД), обладающую высокой точностью и предсказательной силой. Для трех остальных взаимодействий пока нет аналогичных достижений.

Ученые выяснили, что из четырех взаимодействий, существующих в природе между телами, только электромагнитное обладало свойством перенормируемости. Выяснили, что успехи КЭД имеют отношение к симметрии. Физики убеждены, что симметрия служит ключом к пониманию природы взаимодействий. Они считают, что все взаимодействия существуют лишь для того, чтобы поддержать в природе некий набор симметрий. Например, сфера симметрична, арка собора симметрична, законы электричества симметричны относительно замены положительных зарядов на отрицательные и наоборот, законы механики инвариантны, относительно изменения начала отсчета.

Электромагнитное и слабое взаимодействия кажутся весьма разными по своей природе, а в действительности оказались двумя разновидностями единого взаимодействия. Американским ученым Стивену Вайнбергу и Шелдону Глешоу, а также пакистанскому ученому Абдусу Саламу в 1967 г. удалось объединить электромагнитное и слабое взаимодействие. Эту теорию они назвали «Теория электрослабого взаимодействия». При распаде нейтрона в слабом взаимодействии участвуют четыре частицы различных типов: нейтрон, протон, электрон и нейтрино. Действия слабых сил приводят к превращению одних частиц в другие, а электромагнитное взаимодействие не изменяет природы участвующих в нем частиц.

Вайнберг и Салам установили, что для поддержания локальной симметрии необходимы три новых силовых поля, кроме самого электромагнитного поля. Соответственно, должны существовать дополнительно к фотону еще три новых типа частиц – переносчиков слабого взаимодействия, по одному для каждого поля. Эти частицы назвали векторные промежуточные бозоны. Испуская, квант электрослабого поля, электрон превратится в нейтрино, или нейтрино превратится в электрон по схеме: n+ →p+e^-. Нейтрон (n) и нейтрино ( ), сталкиваясь, превращаются в протон (p) и электрон (e^-). В нейтроне d-кварк, испуская виртуальную частицу W^- , превращается в u-кварк, тем самым нейтрон превращается в протон. Нейтрино поглощает частицу W^- и превращается в электрон.

Таким образом, теория предсказала существование трех частиц W^-, W⁺ и Z^o – переносчиков квантов слабого взаимодействия. Здесь английская буква W взята из начальной буквы слова weak – слабый. Кроме того, теория предсказала, что частицы – переносчики слабого взаимодействия имеют огромную массу: m( )=m( )=80ГэВ; m(Z⁰)=90 ГэВ.

В условиях слабого взаимодействия происходит спонтанное нарушение симметрии. Неустойчивое симметричное состояние системы спонтанно переходит в устойчивое состояние, с нарушением симметрии. Это можно наглядно продемонстрировать, используя шарик и мексиканскую шляпу «сомбреро». Шарик находится на вершине шляпы, в центре, симметрично относительно вертикальной оси, но в неустойчивом состоянии. Вдруг шарик с вершины шляпы падает, спонтанно нарушается симметрия системы, но шарик приобретает устойчивое состояние. Устойчивость обусловлена нарушением симметрии. Таким образом, Вайенберг и Салам совместили несовместимое – калибровочную симметрию и частицы с ненулевой массой покоя, переносчиками квантов электрослабого поля.

Перенормируемость теории электрослабого поля проверили с помощью компьютерной программы. Расчеты показали, что все расходящиеся бесконечные члены уравнения взаимно сократились. Этот факт свидетельствует о высокой степени симметрии, заложенной в теории электрослабого взаимодействия.

Открытие в 1983 г. предсказанных W^─ , W⁺ и Z^o – частиц означало торжество теории Вайнберга–Глешоу─Салама. За выдающиеся достижения Вайнберг, Глешоу и Салам, в 1979 году, были удостоены Нобелевской премии по физике.