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

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.

Долгая дорога к электрослабому объединению стала демонстрацией интеллектуального упорства и изобретательности. Но она же была и вынужденным отступлением. Чуть ли не все основные идеи, предложенные Янгом, Миллсом, Юкавой, Хиггсом и другими учеными, приведшие в конечном итоге к появлению этой теории, были разработаны в процессе безуспешной на первый взгляд борьбы за понимание мощнейшей силы природы – сильного ядерного взаимодействия. Вспомним, что эта сила и проявляющие ее сильно взаимодействующие частицы настолько запутали физиков, что в 1960-е гг. многие из них совсем потеряли надежду когда-либо объяснить это взаимодействие методами квантовой теории поля, которая к тому времени так успешно описывала электромагнетизм и слабое взаимодействие.

Был, правда, один успех, связанный с гипотезой Гелл-Манна и Цвейга о том, что все сильно взаимодействующие частицы, наблюдавшиеся до того момента, включая протон и нейтрон, можно интерпретировать как состоящие из более фундаментальных объектов, которые, как я уже говорил, Гелл-Манн назвал кварками. Все известные, а заодно и неизвестные на тот момент сильно взаимодействующие частицы можно было без труда классифицировать, если считать, что они состоят из кварков. Более того, аргументы от симметрии, побудившие, в частности, Гелл-Манна выдвинуть свою модель, стали основой для осмысления прежде непонятных данных по реакциям сильно взаимодействующего вещества.

Тем не менее Гелл-Манн допускал, что его схема может быть всего лишь математической конструкцией, полезной для классификации, а на самом деле кварков не существует и за этим термином не стоит реальных частиц. В конце концов, ни на одном ускорителе и ни в одном эксперименте с космическими лучами никогда не наблюдали ни одного свободного кварка. Вероятно также, что Гелл-Манн находился под влиянием популярной идеи о том, что квантовая теория поля, а следовательно, и понятие элементарных частиц как таковых не работает в ядерных масштабах. Даже в 1972 г. он заявлял: «Позвольте подчеркнуть тот главный момент, что, вполне возможно, нам удастся построить исчерпывающую теорию адронов, основанную на кварках и некоем клее… Но это совершенно не означает никакого конфликта с бутстрап-теорией, поскольку сущности, с которых мы начинаем, вымышленные».

С этой точки зрения попытки описать сильное взаимодействие при помощи калибровочной квантовой теории поля Янга – Миллса, в которой взаимодействие переносится реальными калибровочными частицами, предпринимаются зря. Это просто казалось невозможным. Сильное взаимодействие работало, судя по всему, только на ядерных масштабах, так что если уж описывать его калибровочной теорией, то фотоноподобные частицы, которые будут переносить это взаимодействие, должны быть тяжелыми. Но при этом не было данных в пользу хиггсовского механизма с его массивными сильно взаимодействующими хиггсоподобными частицами, которые легко должны были бы обнаруживаться в экспериментах. Обобщая, можно сказать, что взаимодействие было, попросту говоря, настолько сильным, что, даже если бы оно описывалось калибровочной теорией, все методы квантовой теории поля, придуманные для вывода предсказаний и замечательно работавшие с другими силами, не сработали бы в применении к сильному взаимодействию. Вот почему Гелл-Манн в приведенной цитате говорит о бутстрапе – имеется в виду дзеноподобная идея о том, что по-настоящему фундаментальных частиц просто не существует. Аплодисменты без рук, пожалуйста.

Всякий раз, когда теория, как в данном случае, заходит в тупик, очень полезно использовать эксперимент в качестве ориентира, и как раз это произошло в 1968 г. Серия основополагающих экспериментов, которые провели Генри Кендалл, Джерри Фридман и Ричард Тейлор с использованием новопостроенного ускорителя SLAC, на котором электроны высоких энергий рассеивались на протонах и нейтронах, обнаружила нечто замечательное. Выяснилось, что протоны и нейтроны действительно имеют некую субструктуру, но она была очень странной. Столкновения демонстрировали свойства, которых никто не ожидал. Указывали ли они на кварки?

Теоретики не замедлили прийти на помощь. Джеймс Бьёркен продемонстрировал, что явления, которые наблюдали экспериментаторы и которые стали называть скейлингом, можно понять, если считать, что протоны и нейтроны состоят из фактически не взаимодействующих точечных частиц. Затем Фейнман интерпретировал эти объекты как реальные частицы, которые он назвал партонами, и предположил, что в них можно распознать Гелл-Манновы кварки.

Однако у этой картины была одна по-настоящему крупная проблема. Если все сильно взаимодействующие частицы состоят из кварков, то кварки, безусловно, должны и сами участвовать в сильном взаимодействии. Почему же все выглядит так, будто они почти свободны внутри протонов и нейтронов и при этом не вступают в сильное взаимодействие друг с другом?

Более того, в 1965 г. Намбу, Хан Му Юн и Оскар Гринберг предположили и убедительно обосновали, что если сильно взаимодействующие частицы построены из кварков и являются фермионами, как электроны, то Гелл-Маннова классификация известных частиц по различным сочетаниям кварков в них получится непротиворечивой только в том случае, если кварки обладают каким-то новым видом внутреннего заряда – новым калибровочным зарядом Янга – Миллса. Из этого следовало, что они вступают в сильное взаимодействие посредством нового набора калибровочных бозонов, которые тогда назвали глюонами. Но где эти глюоны, и где эти кварки, и почему нет никаких свидетельств сильного взаимодействия кварков внутри протонов и нейтронов, если они действительно совпадают с партонами Фейнмана?