Читать книгу "Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй - Лоуренс Краусс"

Если нечто крякает как утка и ходит как утка, то это, вероятно, и есть утка. Так что у Гросса и других ученых реальность кварков теперь сомнений не вызывала.

Но как бы ни были убеждены Гросс и другие в реальности кварков, они были в равной мере убеждены, что из этого вытекает невозможность для полевой теории дать корректное описание сильного взаимодействия. Результаты эксперимента требовали, чтобы компоненты практически не взаимодействовали между собой и, в частности, не вступали бы в сильное взаимодействие.

В 1969 г. коллеги Гросса по Принстону Кёртис Каллан и Курт Симанзик заново открыли систему уравнений, которую до них исследовал Ландау, а затем Гелл-Манн и Фрэнсис Лоу, описывавшую, как величины в квантовой теории поля изменялись бы при изменении масштаба. Если партоны, существование которых вытекало из экспериментов на SLAC, вообще вступают в какие-либо взаимодействия – как должны, по идее, вести себя кварки, – то наблюдались бы рассчитанные Бьёркеном измеримые отклонения от скейлинга, и результаты, которые Гросс с соавторами вывели из сравнения теории с данными экспериментов на SLAC, тоже потребовалось бы модифицировать.

В следующие два года, учитывая результаты ’т Хоофта и Вельтмана и растущий успех предсказаний теории слабых и электромагнитных взаимодействий, все больше ученых вновь стали обращать внимание на квантовую теорию поля. Гросс решил доказать с высокой общностью, что ни одна разумная квантовая теория поля ни при каких условиях не может воспроизвести наблюдаемые на SLAC экспериментальные результаты, связанные с природой протонов и нейтронов. Тем самым он надеялся прикончить целое направление в попытках объяснения сильного взаимодействия. Во-первых, он собирался доказать, что единственный способ объяснить результаты SLAC – это сделать так, чтобы каким-то образом на коротких расстояниях сила квантово-полевых взаимодействий падала бы до нуля, то есть чтобы поля фактически прекращали взаимодействовать на коротких расстояниях. После этого он рассчитывал показать, что ни одна квантовая теория поля не в состоянии этого обеспечить.

Не забывайте: Ландау показал, что квантовая электродинамика – классическая непротиворечивая квантовая теория поля – ведет себя в точности противоположным образом. Сила электрических зарядов из-за окружающего их облака виртуальных частиц и античастиц возрастает, по мере того как уменьшается масштаб, на котором происходит зондирование частиц (таких как электроны).

В начале 1973 г. Гросс и его соавтор Джорджо Паризи завершили первую часть работы, а именно доказали, что если сильное ядерное взаимодействие описывается любого рода фундаментальной квантовой теорией поля, то скейлинг, наблюдаемый на SLAC, требует, чтобы сильное взаимодействие компонентов протона сходило на нет на малых масштабах.

Далее, Гросс попытался показать, что никакие теории поля на самом деле не ведут себя так, чтобы сила взаимодействия на малых расстояниях сходила на нет; такое поведение он назвал асимптотической свободой. С помощью Сидни Коулмана из Гарварда, посещавшего как раз в то время Принстон, Гросс сумел провести это доказательство для всех разумных квантовых теорий поля, за исключением калибровочных теорий типа теории Янга – Миллса.

В этот момент Гросс взял к себе нового студента – двадцатиоднолетнего Фрэнка Вильчека, который приехал в Принстон из Чикагского университета, чтобы изучать математику, но после курса теории поля, который читал Гросс, переключился на физику.

Гросс был либо удачлив, либо проницателен, поскольку ему довелось быть научным руководителем дипломных работ двух самых, вероятно, замечательных умов среди физиков моего поколения – Фрэнка Вильчека и Эдварда Виттена. Виттен стал одним из лидеров революции в физике 1980-х и 1990-х гг., связанной с теорией струн, и единственным физиком, удостоенным престижной Филдсовской медали – высшей награды для математиков. Вильчек, вероятно, один из немногих подлинных физиков-универсалов. В начале 1980-х гг. мы с Фрэнком подружились и часто работали в соавторстве, и он не только один из самых изобретательных физиков, с какими мне приходилось работать, но и обладает поистине энциклопедическими знаниями в своей области. Он прочел едва ли не все когда-либо написанные труды по физике и впитал почерпнутую из них информацию. За прошедшие годы он сделал множество фундаментальных открытий не только в физике элементарных частиц, но также в космологии и материаловедении.

Гросс поручил Вильчеку исследовать вместе с ним единственную остававшуюся брешь в своем доказательстве и определить, как меняется сила взаимодействия в теориях Янга – Миллса по мере уменьшения расстояния, чтобы доказать, что и в этих теориях тоже не наблюдается асимптотической свободы. Они решили явно и непосредственно просчитать поведение взаимодействий в этих теориях на все меньших и меньших масштабах.

Это была сложнейшая задача. С тех пор были разработаны инструменты, позволяющие провести такой расчет в виде домашней работы на выпускном курсе. К тому же считать всегда проще, если знаешь, как знаем мы сегодня, каким должен быть ответ. После нескольких сумбурных месяцев, многочисленных фальстартов и численных ошибок в феврале 1973 г. они завершили расчет и обнаружили, к великому удивлению Гросса, что на самом деле теории Янга – Миллса обладают асимптотической свободой: сила взаимодействия в них действительно стремится к нулю, по мере того как взаимодействующие частицы сближаются. Позже в своей нобелевской лекции Гросс сказал: «Для меня открытие асимптотической свободы было совершенно неожиданным. Подобно атеисту, который только что услышал голос из неопалимой купины, я тут же обратился в истинную веру».

Сидни Коулман поручил своему студенту Дэвиду Политцеру проделать аналогичные вычисления; его независимый результат совпал с результатом Гросса и Вильчека и был получен примерно в то же время. То, что результаты совпали, дало обеим группам дополнительную уверенность в их достоверности.

Мало того, что теории Янга – Миллса оказались асимптотически свободными, выяснилось, что это единственный класс теорий поля, обладающий этим свойством. Это побудило Гросса и Вильчека предположить в первых строках их совместной эпохальной статьи, что теория Янга – Миллса, возможно, и правда объясняет сильное взаимодействие с учетом этой ее уникальности и того, что экспериментальные результаты SLAC 1968 г., по-видимому, делают асимптотическую свободу непременным требованием к любой теории сильного взаимодействия.

Которая из теорий Янга – Миллса верна, предстояло еще определить, как и понять, почему безмассовые калибровочные частицы, которые служат визитной карточкой теорий Янга – Миллса, никому никогда не попадались на глаза. И связанный с этим, возможно, самый важный и давний вопрос: а где же кварки?

Но, прежде чем я перейду к этим вопросам, еще один момент. Вас, возможно, интересует, почему поведение теорий Янга – Миллса так отличается от поведения их более простого сородича – квантовой электродинамики, для которой Ландау показал, что сила взаимодействия между электрическими зарядами возрастает на малых масштабах.

Ключевой момент здесь довольно тонкий и кроется в природе безмассовых калибровочных частиц в теории Янга – Миллса. В отличие от фотонов в электродинамике, не имеющих электрического заряда, глюоны – предсказанные переносчики сильного взаимодействия – обладают зарядами Янга – Миллса и потому взаимодействуют друг с другом. Но, поскольку теории Янга – Миллса сложнее квантовой электродинамики, заряды на глюонах тоже сложнее, чем простые электрические заряды на электронах. Каждый глюон похож не только на заряженную частицу, но и на маленький заряженный магнит.