Вы, наверное, думаете, что после выхода статьи Вайнберга физики всего мира устроили праздники с фейерверками. На самом же деле за следующие три года после публикации теории Вайнберга ни один физик, включая и самого Стивена, не нашел повода сослаться на эту статью – на сегодняшний день одну из самых цитируемых работ в физике элементарных частиц. Если в исследовании природы и было сделано великое открытие, то этого никто тогда еще не заметил.

В конце концов, максвелловское объединение электричества и магнетизма позволило сделать чудесное предсказание о том, что свет – это электромагнитная волна, скорость которой можно вычислить из первичных принципов, и – кто бы мог подумать! – измеренная скорость света оказалась равна предсказанной. Эйнштейновское объединение пространства и времени позволило предсказать замедление часов для движущихся наблюдателей, и – смотри-ка! – они действительно замедляются, причем именно так, как предсказано. В 1967 г. объединение слабого и электромагнитного взаимодействий Глэшоу – Вайнберга – Салама предсказало три новых векторных бозона, которые были почти в сто раз тяжелее любой обнаруженной к тому времени частицы. Она предсказала также новые типы взаимодействия вещества с электронами и нейтрино благодаря новопредсказанной Z-частице, которую не только никто до той поры не видел, но само существование которой ставилось под сомнение данными многих экспериментов. Она также требовала существования нового и тоже никем не виданного до той поры массивного фундаментального скалярного бозона – частицы Хиггса, притом что никаких фундаментальных скалярных частиц на тот момент известно не было. И наконец, если говорить о ней как о квантовой теории, никто вообще не знал, имеет ли она смысл.

Поэтому нисколько не удивительно, что эта идея не произвела сразу же эффекта разорвавшейся бомбы. Тем не менее не прошло и десяти лет, как все переменилось, и в физике элементарных частиц начался самый продуктивный в плане теории период после открытия квантовой механики. И хотя калибровочная теория слабого взаимодействия дала старт этому процессу, результат оказался гораздо масштабнее.

Первой трещинкой в дамбе, сдерживающей воды прогресса, стала в 1971 г. работа голландского магистранта Герарда ’т Хоофта. Я навсегда запомнил, как пишется его имя, потому что один из моих особенно талантливых и остроумных бывших коллег по Гарварду, покойный Сидни Коулмен, шутил, что если бы у Герарда были запонки с монограммой, то и на них пришлось бы поставить апостроф. До 1971 г. многие крупнейшие теоретики мира пытались понять, пропадут ли расходимости – настоящее проклятие в большинстве квантовых теорий поля – в калибровочных теориях со спонтанным нарушением симметрии, как они пропадали в аналогичных теориях без нарушения симметрии. Но ответ постоянно ускользал. Интересно, что доказательство, которого не заметили другие, нашел молодой магистрант, работавший под руководством закаленного профессионала – Мартина Вельтмана. Нередко мы, физики, увидев какой-то новый результат, способны быстро вникнуть в детали и представить, как и сами могли бы сделать это открытие. Но многие озарения ’т Хоофта – а их было много, поскольку почти все новые идеи 1970-х гг. так или иначе проистекали из его теоретических изобретений, – исходили, кажется, из какого-то скрытого от глаз резервуара интуитивных знаний.

Еще одна замечательная черта Герарда – его мягкость, скромность и стеснительность. От человека, который прославился в своей области еще студентом, можно было бы ожидать некоторого чувства собственного превосходства. Но с самой первой нашей встречи – еще раз: я тогда был зеленым магистрантом – Герард относился ко мне как к интересному другу, и мне приятно сказать, что наша дружба продолжается. Я всегда стараюсь помнить о его отношении, когда встречаюсь с молодыми студентами; иногда они кажутся стеснительными или напуганными, но я всегда стараюсь следовать примеру Герарда и подражать его открытому великодушию.

Его научный руководитель Тини Вельтман, как его часто называли, производил совершенно противоположное впечатление. Не то чтобы с Тини нельзя было приятно пообщаться. Это не так. Но он всегда с самого начала разговора давал мне ясно понять: что бы я ни сказал, я все равно недостаточно понимаю суть дела. Я всегда получал удовольствие от его интеллектуальных провокаций.

Важно отметить, что ’т Хоофт никогда не взялся бы за эту задачу, если бы Вельтман не был одержим ею, хотя большинство остальных ученых уже сдались и отказались от борьбы. Идею о том, что кому-то в конце концов удастся расширить методы, разработанные Фейнманом и другими учеными для обуздания квантовой электродинамики, и применить их к более сложным теориям, таким как теория Янга – Миллса со спонтанными нарушениями симметрии, многие специалисты считали попросту наивной. Но Вельтман упрямо продолжал работать над проектом, и он мудро подобрал себе в помощь магистранта, который к тому же оказался гением.

Потребовалось некоторое время, чтобы идеи ’т Хоофта и Вельтмана проникли в сознание их коллег, а новые методы, разработанные ’т Хоофтом, получили общее признание, но уже через год или около того физики согласились, что теория, предложенная Вайнбергом, а позже Саламом, имеет смысл. Цитирование статьи Вайнберга внезапно стало экспоненциально расти. Однако «имеет смысл» и «верна» – две разные вещи. Неужели природа действительно воспользовалась той самой теорией, что предложили Глэшоу, Вайнберг и Салам?

Довольно долго этот ключевой вопрос оставался открытым, и некоторое время даже казалось, что ответ должен быть «нет».

Важным нововведением этой теории было требование существования новой нейтральной частицы Z помимо заряженных частиц, предложенных несколькими годами ранее Швингером и другими и необходимых для превращения нейтронов в протоны, а электронов в нейтрино. Оно означало, что должен существовать еще один тип слабого взаимодействия, не только для электронов и нейтрино, но и для протонов и нейтронов, передаваемый путем обмена этими новыми нейтральными частицами. В данном случае, как и в электромагнетизме, тип взаимодействующих частиц меняться не должен. Такие взаимодействия получили известность как взаимодействия посредством нейтральных токов, и очевидным способом проверки данной теории был поиск таких взаимодействий. А искать их лучше всего было в поведении тех единственных в природе частиц, которые чувствуют только слабое взаимодействие, а именно нейтрино.

Возможно, вы помните, что предсказание нейтральных токов было одной из причин, по которым не сработала гипотеза, предложенная Глэшоу в 1961 г. Но модель Глэшоу не была полноценной теорией. Массы частиц просто вставлялись в уравнения вручную, а потому контролировать квантовые поправки было невозможно. Однако, когда Вайнберг и Салам предложили свою модель для электрослабого объединения, уже имелись все необходимые для детальных предсказаний элементы. Масса Z-частицы была предсказана и, как показал ’т Хоофт, появилась возможность надежно рассчитать все квантовые поправки, в точности так, как это делалось для квантовой электродинамики.

Это было и хорошо и плохо, потому что не оставалось никакого места для маневра на случай каких-либо расхождений с данными наблюдений. И в 1967 г. такие расхождения действительно обнаружились. При высокоэнергетических столкновениях нейтрино с протонами не наблюдалось никаких нейтральных токов, хотя верхний предел устанавливался на уровне примерно десяти процентов от частоты более знакомых слабых взаимодействий нейтрино и протонов со сменой знака, таких как нейтронный распад. Перспективы смотрелись печально, и большинство физиков пришли к выводу, что слабых нейтральных токов не существует.

Вайнберг, лично заинтересованный в успехе этого квеста, в 1971 г. разумно заявил, что пространство для маневра все же есть. Но большинство остальных членов сообщества с такой позицией не согласились.

В начале 1970-х гг. в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) были проведены новые эксперименты на протонном ускорителе, в которых протонами высоких энергий бомбардировали длинную мишень. Большинство частиц, получившихся при столкновении, поглощались мишенью, но нейтрино вылетали с другого конца – их способность к взаимодействию настолько слаба, что они могли пройти мишень насквозь без поглощения. Получившийся пучок энергичных нейтрино затем попадал в размещенный на его пути детектор, способный зарегистрировать те немногочисленные события, в которых нейтрино взаимодействовали с веществом детектора.

Был построен новый громадный детектор, получивший название «Гаргамель» в честь великанши – матери Гаргантюа из романа французского писателя Рабле. Эта «пузырьковая камера» размером пять на два метра была наполнена перегретой жидкостью, в которой при прохождении энергичных заряженных частиц оставался след из пузырьков, чем-то напоминающий туманный след невидимого самолета высоко в небе.

Интересно, что, когда экспериментаторы, построившие «Гаргамель», встретились в 1968 г., чтобы обсудить планы экспериментов с нейтрино, идея поиска нейтральных токов даже не упоминалась – ясное свидетельство того, что многие физики считали этот вопрос решенным. Гораздо больший интерес для них представляла возможность развить полученные незадолго до того неожиданные результаты экспериментов на Стэнфордском линейном ускорителе SLAC, где электроны высоких энергий использовались как зонды для исследования строения протонов. Использование в этом качестве нейтрино могло повысить точность измерений, поскольку нейтрино не заряжены.

Однако после результатов ’т Хоофта и Вельтмана, в 1972 г., экспериментаторы начали всерьез воспринимать описание слабого взаимодействия, данное калибровочной теорией, и в первую очередь гипотезой Глэшоу – Вайнберга – Салама. А значит, пора было заняться поисками нейтральных токов. У группы, работавшей с детектором «Гаргамель», в принципе было все необходимое для этого, хотя сам детектор конструировался не для этой задачи.

Большинство энергичных нейтрино в пучке при взаимодействии с протонами мишени должны были превращаться в мюоны – более тяжелые аналоги электронов. Эти мюоны вылетали из мишени, оставляя за собой длинный след, характерный для заряженной частицы, до самой кромки детектора. Протоны превращались в нейтроны, которые сами по себе не оставляют следов, но, сталкиваясь с ядрами, порождают короткий «ливень» заряженных частиц, оставляющих следы. Таким образом, эксперимент был нацелен на регистрацию мюонных следов с сопутствующим коротким ливнем заряженных частиц; они регистрировались как отдельные сигналы, говорящие в то же время об одном акте слабого взаимодействия.

Однако иногда нейтрино, провзаимодействовав с веществом вне детектора, порождало нейтрон, который, влетев в детектор, мог вступить там во взаимодействие. Такие события должны были оставлять след в виде одного только ливня сильно взаимодействующих частиц, порожденного нейтроном, без сопутствующего ему мюонного следа.

Когда на детекторе «Гаргамель» начался поиск нейтральных токов, внимание ученых сосредоточилось именно на таких изолированных каскадах заряженных частиц без сопутствующего им мюона. В событиях, связанных с нейтральными токами, нейтрино, взаимодействующее с нейтроном или протоном в детекторе, не превращается в заряженный мюон, но просто упруго отскакивает и уходит за пределы детектора, не оставив следа. Наблюдать при этом можно только каскад частиц отдачи – ту же сигнатуру, что остается после более обычных нейтринных взаимодействий вне детектора, порождающих нейтроны, которые попадают в детектор и порождают ливень ядерных частиц.

Таким образом, задачей эксперимента, если ставить целью однозначное обнаружение нейтральных токов, было отличить события, порождаемые нейтрино, от аналогичных событий, порождаемых нейтронами. (Эта же задача представляет главную сложность для экспериментаторов при поиске любых частиц, вступающих в слабые взаимодействия, включая и гипотетические частицы темного вещества, поиск которых сегодня идет в подземных детекторах по всему миру.)

Первый единичный электрон отдачи без каких бы то ни было сопутствующих ему следов заряженных частиц в детекторе удалось пронаблюдать в 1973 г. Такой электрон мог возникнуть в результате более редкого, но предсказанного для нейтральных токов столкновения нейтрино с электроном вместо протона или нейтрона. Вообще-то единичного события недостаточно, чтобы с определенностью заявить о новом открытии в физике элементарных частиц. Однако этот результат дал надежду, и к марту 1973 г. тщательный анализ нейтронного фона и наблюдавшихся изолированных ливней частиц, похоже, уже подтверждал, что нейтральные токи слабого взаимодействия действительно существуют. Тем не менее только к июлю 1973 г. исследователи в ЦЕРН выполнили все необходимые проверки, чтобы уверенно заявить о регистрации нейтральных токов, что они и сделали в августе на конференции в Бонне.

История могла бы на этом и закончиться, но, к несчастью, вскоре после этого другая группа ученых, занятая поисками нейтральных токов, перепроверила их данные на своей установке и обнаружила, что предыдущий сигнал, означавший наличие нейтральных токов, куда-то исчез. Это породило немалую суматоху и скепсис в физическом сообществе, а нейтральные токи, казалось, вновь попали под подозрение. В конце концов группа, работавшая на «Гаргамели», повторила все с начала, проверила детектор непосредственно на протонном пучке и собрала намного больше данных. Почти год спустя, в июне 1974 г., группа представила на очередной конференции неопровержимые доказательства существования сигнала. Тем временем конкурирующая группа нашла причину ошибки и подтвердила результат «Гаргамели». Глэшоу, Вайнберг и Салам были оправданны.

Нейтральные токи пробили себе дорогу, и уже казалось, что замечательное объединение слабого и электромагнитного взаимодействий вот-вот случится. Но оставались еще две нерешенные проблемы, которые требовали внимания.

Открытие нейтральных токов при нейтринном рассеивании подтвердило идею о существовании Z-частицы, но это никак не гарантировало, что слабое взаимодействие полностью соответствует образу, который предложили Глэшоу, Вайнберг и Салам и в котором слабое и электромагнитное взаимодействия были едины. Чтобы разобраться в этом, требовался эксперимент с использованием частицы, принимающей участие как в слабом, так и в электромагнитном взаимодействии. Электрон идеален в этом отношении, поскольку участвует только в этих двух взаимодействиях.

Когда электроны взаимодействуют с другими зарядами посредством электромагнитного притяжения, левые и правые электроны ведут себя одинаково. Однако теория Вайнберга – Глэшоу – Салама требовала, чтобы слабые взаимодействия для левых и правых частиц проходили по-разному. Из этого следовало, что тщательные измерения рассеяния поляризованных электронов – электронов, заранее приведенных в левое или правое состояние при помощи магнитных полей, – на разных мишенях должно было бы, по идее, выявить нарушение симметрии правого и левого, но не настолько резкое, как асимметрия, наблюдавшаяся в нейтринном рассеянии, потому что нейтрино всегда чисто левое. Уровень нарушения при рассеянии электронов, если он существует, должен был бы отражать степень, в которой слабое взаимодействие и электромагнетизм смешаны в объединенной теории.

На самом деле идею проверки такой интерференции с использованием рассеяния электронов предложил еще в 1958 г. замечательный советский физик Яков Зельдович. Но прошло двадцать лет, прежде чем появилась техническая возможность ставить эксперименты с достаточной чувствительностью. Так что в случае с открытием нейтральных токов дорога к успеху была полна ухабов и тупиков.

Одна из причин, по которым проверка этой идеи потребовала так много времени, состояла в том, что слабое взаимодействие и правда очень слабое. Поскольку доминирующим способом взаимодействия электронов с веществом является электромагнитное взаимодействие, предсказанная асимметрия правого и левого, возникающая вследствие обмена Z-частицей, мала – меньше одной десятитысячной. Для проверки наличия такой асимметрии нужен был пучок одновременно интенсивный и с хорошей известной первоначальной поляризацией.

Лучше всего для этих экспериментов подходил Стэнфордский линейный ускоритель. Он построен в 1962 г. и был самой длинной – две мили – из когда-либо построенных человеком столь прямолинейных конструкций. В 1970 г. в нем появились поляризованные пучки, но только в 1978 г. удалось разработать и поставить эксперимент с чувствительностью, достаточной для поиска влияния слабого взаимодействия на рассеяние электронов.

Хотя успешное наблюдение нейтральных токов в 1974 г. стало началом широкого признания теории Вайнберга – Глэшоу – Салама физиками-теоретиками, эксперимент SLAC 1978 г. был необычайно важен; дело в том, что в 1977 г. два эксперимента в области атомной физики дали результаты, которые, если бы они подтвердились, однозначно опровергли бы эту теорию.

В нашей истории до сих пор принципиальную роль играл свет, освещавший (простите за каламбур) наши представления не только об электричестве и магнетизме, но и о пространстве, времени и в конечном итоге о природе квантового мира. Так что было понятно, что свет способен помочь разобраться и с электрослабым объединением.

Первым большим успехом квантовой электродинамики стало верное предсказание спектра водорода, а со временем и других атомов. Но если электроны ощущают и слабое взаимодействие, то это даст небольшую добавочную силу между электронами и ядрами, которая должна изменить – хотя и очень слабо – характеристики их атомных орбит. Как правило, эту разницу заметить невозможно, поскольку слабые эффекты тонут в электромагнитных. Но слабое взаимодействие нарушает четность, так что те самые поправки к электромагнитному взаимодействию от слабых нейтральных токов, которые исследовали при помощи поляризованных электронных пучков, могут дать в атомах новые эффекты, которых не было бы, если бы действовал один только электромагнетизм.

В частности, для тяжелых атомов теория Вайнберга – Салама предсказывала, что если сквозь газ из атомов пропустить поляризованный свет, то направление поляризации света повернется примерно на одну миллионную долю градуса из-за нарушающего четность действия нейтральных токов в атомах, сквозь которые прошел свет.

В 1977 г. статьи с результатами двух независимых экспериментов в области атомной физики, проведенных в Сиэтле и в Оксфорде, были опубликованы подряд в журнале Physical Review Letters. Результаты были удручающие. Никакого оптического поворота не удалось увидеть на масштабе, вдесятеро меньшем, чем тот, что предсказывала теория электрослабого взаимодействия. Если бы только один эксперимент дал такой результат, он, скорее всего, показался бы сомнительным. Но одинаковый результат двух независимых экспериментов на разном оборудовании выглядел очень убедительно. Казалось, теория опровергнута.

Тем не менее проект SLAC, начавшийся тремя годами ранее, шел полным ходом, и, поскольку подготовка к эксперименту уже началась, его проведение было утверждено и первые данные ожидались в начале 1978 г. Нулевой результат предыдущих опытов побудил стэнфордских ученых добавить в свой эксперимент несколько дополнительных «звоночков», чтобы в том случае, если никакого эффекта не обнаружится, была бы гарантия, что они могли бы его заметить, если бы он был.

Уже через два месяца после старта эксперимент начал демонстрировать явные признаки нарушения четности, и к июню 1978 г. ученые объявили ненулевые результаты его работы, согласующиеся с предсказаниями модели Глэшоу – Вайнберга – Салама, основанной на измеренном рассеянии нейтрино нейтральными токами, что позволило, в свою очередь, измерить силу Z-взаимодействия.

Тем не менее вопросы оставались, особенно с учетом явного расхождения этих результатов с результатами Сиэтла и Оксфорда. В Калтехе на одном из семинаров по этому вопросу Ричард Фейнман в очень типичной для него манере сразу обратил внимание на ключевой экспериментальный вопрос и поинтересовался, проверяли ли экспериментаторы на SLAC, одинаково ли хорошо детектор отзывается на левые и правые электроны. Оказалось, что не проверяли, но теоретические соображения и не давали им оснований считать, что детекторы могут по-разному вести себя при пучках электронов с разной поляризацией. (Как известно, восемь лет спустя Фейнман сумеет разобраться и в другой сложной проблеме, связанной с трагическим взрывом «Челленджера»; тогда он просто продемонстрировал разрушение уплотнительного кольца и комиссии по расследованию, и публике, наблюдавшей за происходящим по телевизору.)

До осени авторы эксперимента SLAC постарались исключить и этот, и другие поводы для беспокойства и осенью объявили окончательный результат, соответствующий предсказанию Глэшоу – Вайнберга – Салама с погрешностью менее 10 %. Электрослабое объединение получило подтверждение!

Я по сей день не знаю, есть ли у кого-нибудь хорошее объяснение, почему первоначальные результаты у атомных физиков оказались ошибочными (позже те же эксперименты давали результаты, соответствующие теории Глэшоу – Вайнберга – Салама); можно лишь сказать, что физические эксперименты и теоретическая интерпретация результатов этих экспериментов – дело сложное.

Как бы то ни было, всего год спустя, в октябре 1979 г., Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг были удостоены Нобелевской премии за теорию электрослабого взаимодействия, получившую теперь экспериментальное подтверждение и объединившую две из четырех сил природы, на основе одной фундаментальной симметрии – калибровочной инвариантности. Если бы калибровочная симметрия не нарушалась скрытым от глаз образом, слабое и электромагнитное взаимодействия выглядели бы совершенно одинаково. Но тогда все частицы, из которых мы состоим, не имели бы массы и нас бы здесь не было, чтобы это заметить…

Это, однако, еще не конец нашей истории. Два из четырех – это всего лишь два из четырех. Сильное ядерное взаимодействие, исследованием которого в значительной степени мотивировалась работа, приведшая в конечном итоге к электрослабому объединению, продолжало упорно сопротивляться всем попыткам объяснения даже тогда, когда теория электрослабого взаимодействия окончательно оформилась. Ни одно объяснение сильного ядерного взаимодействия через спонтанное нарушение калибровочных симметрий не выдерживало испытания экспериментом.

Таким образом, пока ученые-философы XX столетия пробирались – нередко весьма извилистыми и слабо освещенными путями – к выходу из нашей пещеры теней, чтобы хотя бы одним глазком взглянуть на скрытую в обычных условиях под поверхностью вещей реальность, на постепенно проступающем прекрасном гобелене природы все еще не хватало одной силы, необходимой для понимания строения вещества на фундаментальном уровне.