Все новости от 25 октября 1999 г.

Нобелевская премия'99 и компьютерная программа

Их работа касалась перекалибровки теории электрослабых взаимодействий (ЭСВ), лежащей в основе современных представлений о строении атомного ядра. Предполагается, что протоны и нейтроны, из которых состоит ядро, организованы, в свою очередь, из более мелких частиц, имеющих дробный заряд, - кварков.

Кварки держатся вместе за счет так называемого сильного взаимодействия, носителем которого являются другие частицы - глюоны. Помимо сильного, между частицами ядра осуществляется и другое взаимодействие - слабое. Оно ответственно за распад частиц ядра, например за бета-распад нейтрона, и осуществляется частицами третьего типа - бозонами (они бывают трех типов с разным электрическим зарядом -1,0, +1). В ходе распада возникают маломассивные частицы - лептоны (электроны, позитроны, мезоны, нейтрино и т. п.).

Последней частицей, вводимой этой теорией, является нейтрально заряженный бозон Хиггса, ответственный за то, что все частицы имеют массу.

Описывающие всю эту систему, уравнения оказываются еще более сложными, чем уравнения квантовой электродинамики, описывающие взаимодействие электронов, позитронов и фотонов. В квантовой электродинамике применялся метод последовательных приближений, который, как выяснилось, давал бесконечно растущие поправки. Это было вызвано тем, что в ближайшей окрестности от частицы, скажем электрона, электромагнитное поле (которое в классической теории растет здесь бесконечно) должно порождать множество виртуальных частиц. В конце 40-х годов эту проблему решили будущие нобелевские лауреаты Ричард Фейнман, Син-Итиро Томонага (Sin-Itiro Tomonaga) и Джулиан Швингер (Julian Schwinger), предложившие метод перекалибровки теории, состоящий в том, чтобы рассматривать изначальную частицу и ее виртуальные порождения как бы с расстояния, в виде одной новой частицы, с новой массой и зарядом.

Допустимость перекалибровки (т. е. Некоторых преобразований над функциями, описывающими систему) играет важную роль в физике, а в квантовой механике она особенна существенна. Физический смысл имеют только те величины, которые не меняются при калибровочной перенормировке. Например, к электрическому потенциалу можно добавить произвольную постоянную, но физически значимый параметр - напряженность электрического поля - при этом не изменится, так как зависит только от разности потенциалов. Благодаря этому ворона может спокойно сидеть на высоковольтном проводе ЛЭП. В классических теориях результат таких преобразований не зависит от порядка их применения, и такие теории называют абелевскими. Таковой, например, является классическая теория поля.

Но вернемся к теории ЭСВ. Ее основы были заложены в начале 30-х годов выдающимся физиком Ферми. Но по мере ее развития с ней возникли еще более сложные проблемы, чем с квантовой механикой. Не удавалось, например, вычистить сечения взаимодействия реакций высокоэнергетических частиц.

Для решения этих проблем в середине 50-х была предложена неабелевская квантовая теория поля. Она позволила по-новому взглянуть на электрослабые взаимодействия, но и имела абсолютно сложный математический аппарат. Численных результатов с ее помощью получить не удавалось.

В конце 60-х казалось, что развитие теории ЭСВ зашло в тупик. И вот тут помогли труды профессора Мартина Велтмана и его молодого сотрудника Герарда Хуфта. Оба они работали в то время в университете голландского города Утрехта.

Велтман составил компьютерную программу для символьного преобразования математических формул, способную упростить уравнения квантовой теории поля. А его студент Хуфт, опираясь на метод неабелевской перекалибровки и используя программу Велтмана, смог провести нужные вычисления. Благодаря их работе в рамках теории электрослабого взаимодействия оказалось возможным получить первые осмысленные численные результаты, которые впоследствии были подтверждены экспериментально, и показать как из теории ЭСВ можно получить в качестве частного случая теорию, разработанную Ферми.

Подробнее об этом читайте по адресу: www.nobel.se/announcement-99/physics99.html