А. Салам

(Салам Абдус, современный пакистанский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии в области квантовой физики) СА˘АМ (Salam) Абдус (р. 1926), пакистанский физик-теоретик, иностранный член РАН (1991; иностранный член АН СССР с 1971). Труды по квантовой теории поля и элементарных частиц, теории гравитации. Один из авторов объединенной теории электромагнитного и слабого взаимодействий (теория Вайнберга — Салама). Нобелевская премия (1979, совместно с Ш. Глэшоу и С. Вайнбергом). Золотая медаль им. Ломоносова АН СССР (1984).

˜АЙНБЕРГ (Уэйнберг) (Weinberg) Стивен (р. 1933), американский физик. Труды по физике элементарных частиц. Нобелевская премия (1979, совместно с Ш. Глэшоу и А. Саламом) за создание объединенной теории электромагнитного и слабого взаимодействий.

К˜АНТОВАЯ ТŘОРИЯ П˜ОЛЯ, релятивистская квантовая теория физических систем с бесконечным числом степеней свободы (релятивистских полей). Квантовая теория поля является основным аппаратом физики элементарных частиц, их взаимодействий и взаимопревращений. Включает теорию электромагнитного (квантовую электродинамику) и слабого взаимодействий, выступающих в современной теории как единое целое (электрослабое взаимодействие), и теорию сильного (ядерного) взаимодействия (квантовую хромодинамику).

ЭЛЕКТРОС˘АБОЕ ВЗАИМОĘЕЙСТВИЕ, единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий кварков и лептонов, осуществляемых посредством обмена четырьмя частицами: безмассовыми фотонами (электромагнитное взаимодействие) и тяжелыми промежуточными векторными бозонами (слабое взаимодействие). Создана в кон. 60-х гг. С. Вайнбергом, Ш. Глэшоу, А. Саламом.

К˜АНТОВАЯ ХРОМОДИ͘АМИКА, квантовополевая теория сильного взаимодействия кварков и глюонов, которое осуществляется путем обмена между ними — глюонами (аналогом фотонов в квантовой электродинамике). В отличие от фотонов, глюоны взаимодействуют друг с другом, что приводит, в частности, к росту силы взаимодействия между кварками и глюонами при удалении их друг от друга. Предполагается, что именно это свойство определяет короткодействие ядерных сил и отсутствие в природе свободных кварков и глюонов.

˜АРКИ, гипотетические фундаментальные частицы, из которых по современным представлениям, состоят все адроны (барионы — из трех кварков, мезоны — из кварка и антикварка). Кварки обладают спином ¹/₂, барионным зарядом ¹/₃, электрическими зарядами ²/₃ и +¹/₃ заряда протона, а также специфическим квантовым числом «цвет». Экспериментально (косвенно) обнаружены 6 типов («ароматов») кварков: u, d, s, c, b, t. В свободном состоянии не наблюдались.

ГЛޘОНЫ, гипотетические электрически нейтральные частицы с нулевой массой и спином 1, осуществляющие взаимодействие между кварками. Подобно кваркам, глюоны обладают квантовой характеристикой «цвет».

Стремление к синтезу физического знания всегда было в центре внимания ученых разных эпох. Примером решения этой проблемы стала теория электрослабого взаимодействия, создателями которой стали А.Салам и Ш Глэшоу.

Нобелевские лекции этого года касаются ряда идей, относящихся к калибровочному объединению электромагнитных сил со слабыми ядерными силами. По времени эти лекции почти совпадают с сотой годовщиной со дня смерти Максвелла, с именем которого связано первое объединение сил (электрической и магнитной природы) и зарождение калибровочных теорий. Эти лекции также совпадают с сотой годовщиной со дня рождения Эйнштейна – человека, давшего нам предвидение окончательного объединения всех сил.

Идеи современности возникли более 20 лет назад как проблески надежды в теоретических умах. Они привели к зрелым теоретическим предсказаниям всего лишь десятилетие назад. И эти же идеи начали получать экспериментальное подтверждение примерно около шести лет назад.

В некотором смысле наша история имела достаточно глубокое основание в прошлом. В этой лекции я хотел бы затронуть несколько теоретических идей сегодняшнего дня и задать вопрос: не могут ли именно эти идеи принести плоды 20 лет спустя? С незапамятных времен люди хотели охватить многогранность природы посредством наименьшего возможного числа элементарных концепций. Среди вопросов, которые они себе задавали, был один – “о колесиках внутри колеса”, как сказал Фейнман. Задача натурфилософии и состоит в том, чтобы обнаружить наиболее сокровенные колесики природы, если таковые существуют. Второй вопрос относится к выявлению тех фундаментальных сил, которые заставляют колеса крутиться и связывают их друг с другом. Величие калибровочных идей, идей калибровочных полевых теорий заключается в том, что эти два вопроса сводятся к одному: элементарные частицы (описываемые релятивистскими квантовыми полями) являются представлениями определенных зарядовых операторов, соответствующими гравитационной массе, спину, аромату, цвету, электрическому заряду и т. д., тогда как фундаментальные силы являются силами притяжения и отталкивания между этими самыми зарядами. Третий важный вопрос затрагивает проблему поиска форм объединения зарядов...

Но все ли фундаментальные силы калибровочные? Могут ли они быть поняты как таковые в терминах только зарядов и соответствующих им токов? Можно ли знать заранее, какое количество зарядов понадобится для такого объединения? Компонентами какого объединения являются наблюдаемые заряды? Какова вообще природа заряда? Так же как Эйнштейн постиг природу гравитационного заряда, введя пространственно временную кривизну, можем ли мы понять сущность других зарядов – природу полного объединенного набора как физической совокупности, в терминах столь же глубоких по значению величин? Короче говоря, это пока еще мечта, в значительной мере подкрепленная проверкой предсказаний калибровочной теории. Но прежде чем рассматривать новые теоретические идеи, перспективные с точки зрения их использования в будущем, я хотел бы предложить вам чисто субъективную картину развития этого направления за 20 лет. Точку зрения, которую я хочу подчеркнуть в этой части моей речи, изложил Г. П. Томсон в Нобелевской лекции 1937 г. Он сказал: “Богиня знания, согласно легенде, возникла в мозгу Зевса. Однако редко случается, чтобы научная концепция рождалась сразу в своей окончательной форме и только у одного человека. Более часто это – продукт ряда умов, каждый из которых модифицирует идеи предыдущего и обеспечивает материал для размышления тем, кто следует за ним”.

Абдус Салам. Калибровочное объединение фундаментальных

сил // На пути к единой теории поля. М., 1980. С. 8-9.

Шелдон Ли Глэшоу

(Глэшоу Ш.Л., современный американский физик, лауреат Нобелевской премии по теории элементарных частиц) Г˘ЭШОУ (Glashaw) Шелдон (р. 1932), американский физик-теоретик. Труды по физике элементарных частиц. Нобелевская премия (1979) за создание объединенной теории электромагнитного и слабого взаимодействий (совместно с С. Вайнбергом и А. Саламом).

Введение. В 1956 г., когда я начал заниматься теоретической физикой, наука об элементарных частицах напоминала лоскутное одеяло. Электродинамика, слабые взаимодействия и сильные взаимодействия были четко разграниченными дисциплинами, преподаваемыми и изучаемыми раздельно. Связной теории, которая бы описывала их в совокупности, не было. Такие достижения, как наблюдение несохранение четности, успехи квантовой электродинамики, открытие адронных резонансов и странности, были вполне определенными частями картины, но их было непросто подогнать друг к другу

Положение вещей изменилось. Сегодня мы имеем, что называется, “стандартную теорию” физики элементарных частиц, в которой все взаимодействия – сильные, слабые и электромагнитные – возникают из принципа локальной симметрии. Это до некоторой степени полная и, видимо, правильная теория, предлагающая качественное описание всех свойств элементарных частиц и точные количественные предсказания во многих конкретных случаях. Нет экспериментальных данных, которые бы противоречили теории. Если еще и не на практике, то по крайней мере в принципе все экспериментальные данные могут быть выражены в терминах малого числа “фундаментальных” масс и констант связи. Теория, которой мы сейчас располагаем, – это цельное произведение искусства. Лоскутное одеяло превратилось в гобелен.

Гобелены создают много мастеров, работающих вместе. Из заключенной работы невозможно выделить вклады отдельных работников, а пропущенные или неверные нити перекрыты другими. То же и в нашей картине физики частиц. Одна часть картины – объединение слабых и электромагнитных взаимодействий и предсказание нейтральных токов, отмечаемое сейчас присуждением Нобелевской премии. Другая часть связана с убедительной эволюцией кварковой гипотезы от чистой фантазии к установившемуся учению. Еще одна часть – развитие квантовой хромодинамики и превращение ее в мощную, предсказательную и внушающую доверие теорию сильных взаимодействий. Все соткано вместе и переплетено в гобелене; один кусок имеет мало смысла без другого. Поэтому и развитие электрослабой теории было не таким простым и прямым, как это могло бы быть. Она не возникла, вспыхнув целиком в уме одного или даже трех физиков, а является результатом коллективных усилий многих ученых – и экспериментаторов, и теоретиков.

Подчеркну, что я не верю в то, что стандартная теория долго продержится в качестве правильной и полной физической картины. Взаимодействия могут иметь калибровочную природу, но при этом они, конечно, должны лежать внутри единой объединяющей их группы. Из такого предположения, по-видимому, следует существование нового, очень слабого взаимодействия, приводящего к распаду протонов. Вся материя, таким образом, оказывается внутренне нестабильной, и можно наблюдать ее распад. Такого рода синтез слабых, сильных и электромагнитных взаимодействий называется “великой объединенной теорией”, однако теория не является ни великой, ни объединенной, пока она не включает, описание гравитационных явлений. Мы все еще далеки от по-настоящему величественной эйнштейновской физики.

Физика прошлого столетия характеризовалась частыми, но непредвиденными экспериментальными открытиями крупного масштаба. Если стандартная теория правильна, но такие времена подошли к концу. Осталось открыть только несколько важных частиц, sи многие их свойства, как утверждается, известны заранее. Конечно, ход вещей не может быть таким, ибо природа должна приберечь для нас сюрпризы про запас. Тем не менее стандартная теория будет полезной в грядущие годы. Простой и элегантный синтез пришел теперь на смену недоумению прошлого. Стандартная теория может выжить в качестве части окончательной теории либо может оказаться фундаментально неправильной. В любом случае она останется важным промежуточным пунктом, и последующая теория должна будет ее превзойти.

В этом выступлении я не буду пытаться описать весь гобелен или даже ту его часть, которую представляет электрослабое объединение и его эмпирический триумф. Я, скорее, расскажу о нескольких старых нитях, в большинстве своем заново перетканных, которые тесно связаны с моими собственными исследованиями. Моей целью является не столько объяснить, кто, что и когда сделал, сколько подойти к более сложному вопросу: почему ход вещей был именно таким. Я также прослежу за некоторыми новыми нитями, которые могут дать направление дальнейшего развития.

Ранние модели. 1920-е годы все еще верили в то, что есть только два вида фундаментальных взаимодействий: гравитация и электромагнетизм. Пытаясь объединить их, Эйнштейн в то время мог надеяться сформулировать универсальную физическую теорию. Однако изучение атомного ядра вскоре вскрыло необходимость в двух дополнительных взаимодействиях: сильном – чтобы ядро существовало как таковое и слабом – чтобы дать ему возможность распадаться. Юкава задался вопросом, не существует ли глубокой аналогии между новыми силами и электромагнетизмом. Все силы, говорил он, должны возникать в результате обмена мезонами. Первоначально подразумевалось, что его гипотетические мезоны переносят как сильные, так и слабые взаимодействия: они были сильно связаны с нуклонами и слабо связаны с лептонами. Эта первая попытка объединить сильные и слабые взаимодействия опередила свое время на сорок лет. Более того, Юкава мог предсказать существование нейтральных токов. Его нейтральный мезон, необходимый для обеспечения зарядовой независимости ядерных сил, был слабо связан и с лептонными парами.

Электромагнетизм переносится фотонами и возникает из требования локальной калибровочной инвариантности, та концепция была обобщена в 1954 г. для применения к неабелевым группам локальной симметрии. Вскоре стало ясно, что между электромагнетизмом и другими взаимодействиями может существовать гораздо 6олее далеко идущая аналогия. Эти взаимодействия тоже могут возникать из калибровочного принципа.

В этом пункте возникает некоторая проблема. Все калибровочные мезоны должны быть безмассовыми, тем не менее единственный безмассовый мезон – это фотон. Как получают массы остальные калибровочные бозоны. Хорошего ответа на этот вопрос не было вплоть до появления работ Вайнберга и Салама и т'Хоофта (для спонтанно нарушенных калибровочных теорий) и Гросса, Вильчека и Полицера (для ненарушенных калибровочных теорий). До появления этих работ массы калибровочных мезонов должны были вводиться ad hoc.

В 1960 г. Сакураи предположил, что сильные взаимодействия должны возникать из калибровочного принципа. Применяя конструкцию Янга – Милласа к группе симметрии изоспина-гиперзаряда, он предсказал векторные мезоны  и . Это была первая феноменологическая калибровочная теория SU(2)U(1). Она была расширена до локальной Гелл-Манном и Нееманом в 1961 г.

Однако эти ранние попытки сформулировать калибровочную теорию сильных взаимодействий были обречены на провал. Говоря на современном жаргоне, в них в качестве существенной динамической переменной использовался “аромат” вместо скрытого и тогда еще но известного “цвета”. Тем не менее эти работы подготовили почву для появления квантовой хромодинамики десятилетием позднее.

Глэшоу Ш.Л. На пути к объединенной теории - нити в гобелене // На пути к единой теории поля. М., 1980, С.51-54.