 |
 |
 |
 |
|
 |
 |
160
преобразования изменяют систему в целом, во всем ее пространственно-временном объеме; в физике
это выражается в том, что во всех точках пространства-времени значения волновой функции
подвергаются одному и тому же изменению. Локальными калибровочными преобразованиями
называются преобразования, которые изменяются от точки к точке; иначе говоря, волновая функция в
каждой точке характеризуется своей особой фазой, которой соответствует определенная частица.
Глобальное калибровочное преобразование теоретически можно превратить в локальное
калибровочное преобразование. Для их связи и поддержания симметрии в каждой точке пространства
необходимы новые силовые поля — калибровочные. В природе существует ряд локальных
калибровочных симметрий, и необходимо соответствующее число калибровочных полей для их
компенсации. Так, силовые поля можно рассматривать как средство, с помощью которого в природе
создаются присущие ей локальные калибровочные симметрии. Значение концепции калибровочной
симметрии заключается в том, что благодаря ей теоретически моделируются все четыре
фундаментальных взаимодействия, встречающиеся в природе. Все их можно рассматривать как
калибровочные поля.
Простейшей калибровочной симметрией обладает электромагнетизм. Иначе говоря,
электромагнитное поле не просто определенный тип силового поля, существующего в природе, а
проявление простейшей (совместимой с принципами специальной теории относительности)
калибровочной симметрии, в которой калибровочные преобразования соответствуют изменениям
потенциала от точки к точке. Учение об электромагнетизме складывалось столетия на основе
кропотливых эмпирических исследований, но оказывается, что результаты этих исследований можно
вывести чисто теоретически, основываясь на знании лишь двух симметрий — простейшей локальной
калибровочной симметрии и так называемой симметрии Лоренца — Пуанкаре специальной теории
относительности. Основываясь только на существовании этих двух симметрий, не проведя ни единого
эксперимента по электричеству и магнетизму, можно построить уравнения Максвелла, вывести все
законы электромагнетизма, доказать существование радиоволн, возможность создания динамо-маши-
ны и т.д. А применение идей локальной калибровочной инвариантности к преобразованиям Лоренца
автоматически приводит к построению теории гравитации, сходной с ОТО.
Для представления поля слабого взаимодействия как калибровочного прежде всего необходимо
установить точную форму соответствующей калибровочной симметрии. Дело в том, что симметрия
слабого взаимодействия гораздо сложнее, чем электромагнитного. Ведь и сам механизм слабого
взаимодействия оказывается более сложным. Во-первых, при распаде нейтрона, например, в слабом
взаимодействии участвуют частицы по крайней мере четырех различных типов (нейтрон, протон,
электрон и нейтрино). Во-вторых, действие слабых сил приводит к изменению их природы
(превращению одних частиц в другие за счет слабого взаимодействия). Напротив, электромагнитное
взаимодействие не изменяет природы участвующих в нем частиц.
Выяснилось, что для поддержания симметрии в описании слабого взаимодействия необходимы три
новых силовых поля, в отличие от единственного электромагнитного поля. Было получено и
квантовое описание этих трех полей: должны существовать три новых типа частиц — переносчиков
взаимодействия, по одному для каждого поля. Все вместе они называются тяжелыми векторными
бозонами со спином 1 и являются переносчиками слабого взаимодействия. Частицы W
+
и W
-
являются
переносчиками двух из трех связанных со слабым взаимодействием полей. Третье поле соответствует
электрически нейтральной частице-переносчику, получившей название Z?-частицы. Существование
Z?-частицы означает, что слабое взаимодействие может не сопровождаться переносом электрического
заряда.
В создании теории электрослабого взаимодействия ключевую роль сыграло понятие спонтанного
нарушения симметрии: не всякое решение задачи обязано обладать всеми свойствами его исходного
уровня. Так, частицы, совершенно разные при низких энергиях, при высоких энергиях могут оказаться
на самом деле одной и той же частицей, но находящейся в разных состояниях. Таким образом, идеей
спонтанного нарушения симметрии Вайнберг и Салам соединили электромагнетизм и слабое
взаимодействие в единой теории калибровочного поля.
В теории Вайнберга — Салама представлено всего четыре поля:
электромагнитное и три поля,
соответствующие слабым взаимодействиям. Кроме того, было введено постоянное на всем
пространстве скалярное поле (так называемое поле Хиггcа), с которым частицы взаимодействуют по-
разному, что и определяет различие их масс *. Первоначально W- и Z-кванты не имеют массы, но из-за
нарушения симметрии некоторые частицы Хиггеа сливаются cW-и Z-частицами, наделяя их массой. В