Гений. Жизнь и наука Ричарда Фейнмана - Джеймс Глик

К концу 1960-х — началу 1970-х в лаборатории, расположившейся среди пологих холмов Северной Калифорнии недалеко от Стэнфордского университета, установили новый ускоритель. Он сыграл главную роль в экспериментах с сильным взаимодействием, которые и помогли обнаружить кварки. Трехкилометровая труба Стэндфордского центра линейного ускорителя[164] пролегла под травянистым ландшафтом. Наверху, на земле, на фоне пасущихся коров молодые физики в рубашках и джинсах — всего около ста человек — отдыхали за столами для пикников и сновали между многочисленными корпусами. А внизу, под землей, в прямой, как лезвие ножа, медной вакуумной трубе поток электронов устремлялся к протонной мишени. Здесь электроны достигали энергий гораздо больших, чем могли предположить ученые. Они поражали цель внутри конечной станции, сконструированной наподобие гигантского самолетного ангара, и затем, если повезет, входили в детектор, расположенный в бетонном блокгаузе (он был выложен свинцовыми кирпичами и передвигался по железнодорожным рельсам почти под самым потолком). В одних случаях результат фиксировали высокоскоростные кинокамеры, в других — группы ученых при помощи автоматического устройства, способного распознавать треки частиц на сотнях миллионов отснятых кадров (стандартное число снимков, получаемое в ходе эксперимента длиной в месяц). В одной пузырьковой камере, расположенной на конце луча, за пять с половиной лет ее службы обнаружилось семнадцать новых частиц.

С помощью ускорителя ученые исследовали сильное взаимодействие. (Эта сила получила такое название, поскольку на крайне малых расстояниях внутри ядра именно она противостояла электромагнитному отталкиванию и связывала протоны и нейтроны.) Подверженные ему частицы получили общее название адронов. Фейнман пытался понять механизм сильного взаимодействия при столкновении адронов. Проблема была не из простых: при высоких энергиях столкновения, ставших доступными для изучения при исследовании внутриядерных процессов, «кусочки» адронов разлетались в стороны совершенно бессистемно. Сами адроны не были ни простыми, ни точечными. У них был размер, и они, по-видимому, состояли из других частиц. Фейнман говорил, что пытаться разобраться во взаимодействии адронов — все равно что стараться изучить строение наручных часов, ударяя их друг о друга и наблюдая, как осколки разлетаются во все стороны. Тем не менее летом 1968 года он стал регулярным гостем в Стэнфордском центре и увидел, насколько проще было взаимодействие электронов и протонов: электрон просто врезался в протон, как пуля.

Он остановился у сестры. Джоан получила работу в исследовательской лаборатории и переехала в Стэнфорд. Ее дом находился через дорогу от Сэнд-Хилл-Роуд и Национальной лаборатории. Тем летом в патио Фейнманов часто собирались физики, чтобы послушать истории Ричарда; когда ему в голову приходила новая идея, он оглушительно громко хлопал в ладоши. Например, он говорил о «блинчиках», визуализируя частицы как лепешки с твердой начинкой.

Сотрудничество с Калтехом представлялось экспериментаторам из Стэнфордского центра очень важным, но к концу 1960-х в Калтехе правил Гелл-Манн, а не Фейнман. Методы Гелл-Манна — современная алгебра и математический каркас его теории кварков — привели к возникновению целой научной субкультуры; теоретики из Стэнфордского центра пытались применить его инструменты к малым расстояниям и более высоким энергиям. В центрах ускорителей вроде Стэнфордского теоретики изучали главным образом простейшие реакции — две частицы на входе, две на выходе, — хотя в результате большинства столкновений рождались многочисленные новые частицы. Экспериментаторы стремились получить максимально точные данные, но в этом хаосе какая-либо точность, казалось, была невозможна. Фейнман придерживался другой точки зрения. Он вывел формулу, при помощи которой можно было оценить рассеяние двадцати, пятидесяти и даже большего количества частиц. При этом импульс каждой частицы измерять не требовалось — нужно было лишь просуммировать все возможные варианты. Похожую теорию тогда развивал физик-теоретик из Стэнфорда Джеймс Бьоркен. Электрон «врезается» в протон и выходит с другой стороны вместе с «брызгами» не поддающихся измерению фрагментов. Единственным неизменным фактором в данном случае остается выходящий электрон. Бьоркен решил не рассчитывать величины всех многочисленных «брызг», а определить рассеяние и траекторию выходящих электронов — среднюю для многочисленных столкновений.

В ходе работы с данными он вывел удивительную закономерность — феномен, который назвал скейлингом — масштабной инвариантностью[165]. Независимо от величины импульса и энергий процесса рассеяния электронов данные выглядели одинаково. Бьоркен не нашел, как это интерпретировать. У него возникло несколько догадок, которые он описал языком современной алгебры. Когда Фейнман прибыл в Стэнфорд, Джеймс был в отъезде. Увидев график, составленный Бьоркеном, и не зная, для чего он предназначен, Фейнман понял его смысл и продолжил расчеты. Это заняло у него весь вечер. Оказалось, график иллюстрировал его собственную теорию блинчиков, которой он посвятил все лето.

Фейнман решил «замести под ковер» не поддающийся исчислению кишащий рой протоновых фрагментов, предположив существование таинственной новой частицы, которую назвал партоном (не мудрствуя лукаво, он образовал название частицы от слова part — часть). Так в «Оксфордском словаре английского языка» наконец появилось придуманное им слово. Фейнман сделал лишь два предположения о природе партонов: это точечные частицы, и между ними не происходит какого-либо значительного взаимодействия: они просто свободно плавают внутри протона. Это была всего лишь абстракция, не поддающееся наблюдению понятие, а физики старались без особой необходимости к таким понятиям не прибегать. Но партоны на удивление легко визуализировались. Они оказались теми самыми крючками, на которые без труда крепилась прежняя теория поля, где все было понятно и управляемо — теория с волновыми функциями и легко высчитываемыми амплитудами вероятностей. Нашлась аналогия и в квантовой электродинамике: здесь тоже были свои партоны — «голые» электроны и фотоны.

Фейнман показал, что столкновение с этими твердыми «кусочками» внутри протона совершенно естественным образом и приводит к масштабной инвариантности (о чем и говорил Бьоркен), в отличие от столкновений с полновесными целыми протонами. Он предпочел не определять, каким квантовым числом они обладают, и решил ни в коем случае не переживать из-за того, окажутся ли его партоны и кварки Гелл-Манна и Цвейга с дробным зарядом одной и той же частицей.

К возвращению Бьоркена теория групп уже кишела партонами. Фейнман осадил его расспросами. Бьоркен боготворил Фейнмана еще со студенческой скамьи, со времен старого курса квантовой электродинамики в Стэнфорде. «Когда появились фейнмановские диаграммы, — вспоминал он, — это было как солнце, пробивающееся сквозь тучи, — с радугами и горшочком золота. Блестяще! Глубокое физическое объяснение!» А теперь сам Фейнман во плоти стоял перед ним и объяснял ему его же теорию — только новым языком, используя новые визуальные образы. Бьоркен сразу понял, что Фейнману удалось разгадать загадку, мысленно поместив себя внутрь электрона и таким образом увидев то, что видит электрон, движущийся со скоростью света, — летящие ему навстречу протоны, которые сплющились до блинчиков в силу релятивизма. Релятивизм замедлил их внутреннее время, по сути — и с точки зрения электрона — заморозив протоны и сделав их неподвижными. Хаотичное взаимодействие электрона с океаном разных частиц в теории Фейнмана представало гораздо более простым взаимодействием электрона с единственной точечной частицей, которую он выделил в этом океане, — партоном. Прямым следствием такой физической картины и был скейлинг Бьоркена. Экспериментаторы моментально воспользовались этой моделью, объяснявшей их данные.