Фрэнк Вильчек - Основы реальности

Головокружительный успех Бора привел к важным последствиям: начался поиск более общих, логически последовательных квантовых условий. Сегодня правила Бора, как и формулу Планка — Эйнштейна, мы считаем предшественниками современных квантовых условий.

Эйнштейн говорил, что работа Бора — «наивысшая музыкальность в области мысли» [66]. И все же ее преемница — современная квантовая механика — существенно гармоничнее. Сходство ее уравнений с уравнениями, описывающими звуки музыки, поражает.

Если говорить конкретнее, уравнения электронного поля вокруг ядра напоминают уравнения гонга, изготовленного из странного материала. Оставаясь в рамках этой метафоры, можно сказать, что спектр цветов, испускаемых атомом, соответствует звуковому спектру гонга. Оба отражают устойчивую структуру колебаний своих «инструментов». Но они не предназначены для музыки, это не ноты какой-то имеющей смысл гаммы. А если речь не об одном электроне, спектр разрешенных колебаний может быть особенно сложным.

Спектры атомов абсолютно конкретны, и, в принципе, их можно рассчитать. Их упорядоченная сложность — подарок рациональному мышлению человека. Поскольку разные типы атомов испускают разные спектры света, эти спектры — своего рода подпись атома, его дактилоскопический отпечаток. Таким образом, просто оглядываясь вокруг — и уделяя особое внимание цвету, — можно изучить поведение атомов, далеко отстоящих от нас в пространстве и времени. Космос становится огромной, хорошо оборудованной химической лабораторией. По этой причине спектроскопия — основа астрофизики и космологии.

Кроме того, спектроскопия позволяет нам проверить основополагающие представления о мире. Поскольку точные теоретические расчеты спектров (когда удается их выполнить) пока согласуются с результатами экспериментов, есть уверенность, что сформулированные нами законы правильны. А поскольку до сих пор астрономы и химики, куда бы и когда бы они ни поглядели, видели один набор атомных спектров, мы делаем вывод, что одни и те же законы действуют на одни и те же исходные вещества везде во Вселенной и во все времена.

Замечательные результаты моделирования атомов и спектроскопии — следствие смелого предположения, согласно которому у атомов есть крошечное ядро, где сосредоточены весь его положительный заряд и практически вся масса. На волне этого успеха фундаментальная физика обратилась к следующему вопросу: что представляют собой ядра? Начались полные сюрпризов, взлетов и падений исследования, игравшие главную роль в физике почти все двадцатое столетие. Чтобы поскорее перейти непосредственно к основным открытиям, я опущу почти всю эту историю. Если вы захотите больше узнать о ранних этапах становления ядерной физики, ее неожиданных, изменивших мир побочных результатах, прочтите книгу Ричарда Роудса «Создание атомной бомбы» [67].

Главное открытие ядерной физики до квантовой хромодинамики состояло в том, что моделирование атомных ядер полезно начинать с протонов и нейтронов. Но, чтобы не дать ядрам развалиться, между их составляющими должны действовать какие-то неизвестные силы: электрическое отталкивание протонов стремится разорвать ядро, а гравитация слишком мала. Эти новые силы ученые назвали сильным взаимодействием и стали разбираться, что же оно собой представляет. Когда с этой целью начали исследовать поведение протонов и нейтронов, все очень быстро совсем запуталось. Прорыв случился, только когда ученые заглянули внутрь протонов.

Внутри протонов

Чтобы заглянуть внутрь протонов, физики следовали той же стратегии, которая позволила раньше исследовать строение атома, а именно проводили эксперименты по рассеянию в духе Гейгера и Марсдена. О них мы говорили выше, но теперь и рассеивающиеся пучки были другого типа, и методика усовершенствована. Ученые вновь направляли на интересующий объект пучок частиц, следили, как они отклоняются, а затем, используя полученную картину, делали шаг назад к структуре, обусловившей эти отклонения.

Самое важное усовершенствование состояло в том, что нужно было не только определить степень отклонения частиц (в первых экспериментах это были электроны), но и измерить потери ими энергии. Эта дополнительная информация позволяет нам выполнить анализ как во времени, так и в пространстве. Она помогает — после кропотливой обработки изображений — получить моментальный снимок внутренности протона. Важно получить именно такой снимок, потому что, оказывается, составляющие протона быстро движутся. При длинной выдержке — в нашем контексте это означает выдержку, превышающую одну миллионную от одной миллиардной одной миллиардной секунды, — все будет смазано.

Свобода и тюрьма [68]

Картина внутреннего устройства протона преподносит нам несколько сюрпризов — например, демонстрирует, что он содержит частицы меньших размеров, включая кварки. Раньше они использовались как теоретические конструкции, позволяющие упорядочить результаты наблюдений сильно взаимодействующих частиц, но в их физическом существовании ученые сомневались — даже Мюррей Гелл-Манн [69], один из авторов гипотезы о кварках. Он сравнивал кварки с кусками телятины из «рецепта, который иногда используют во французской кухне: кусок мяса фазана готовят между двумя кусками телятины, которые затем выбрасывают» [70]. Другой «отец» кварков, Джордж Цвейг [71], воспринимал их гораздо более буквально. Он годами придумывал способ обнаружить изолированные кварки вне протонов. Эти попытки не увенчались успехом, и как мы теперь знаем — или думаем, что знаем, — они были обречены на неудачу.

Весь этот скептицизм был вполне обоснован. Кварки — частицы с весьма необычными свойствами и поведением. Начнем с того, что их электрический заряд равен доле заряда электрона. Никогда прежде никто не сталкивался с дробными зарядами. А еще никому не удавалось обнаружить свободные кварки — только внутри протонов и других сильно взаимодействующих частиц, так называемых адронов.

Это явление называют конфайнментом . Оно осталось загадкой даже после того, как ученые получили мгновенные снимки протонов, подтвердившие гипотезу кварков.

Судя по всему, внутри протона кварки практически не влияют друг на друга. Однако в конечном счете силы, действующие между ними, не дают им вырваться наружу.

Моя первая серьезная работа по физике, написанная, когда я был аспирантом Дэвида Гросса, касалась именно этой проблемы. Мы хотели объяснить парадоксальное поведение кварков, не задевая при этом таких «священных коров», как локальность, общая теория относительности и квантовая теория. Таким образом, мы хотели на базе квантовых полей построить теорию, где силы взаимодействия частиц, разнесенных на большое расстояние, соответствуют сильному притяжению, но ослабевают, когда частицы сближаются. В обычной жизни так ведет себя эластичная резиновая лента. Но резиновые ленты — не квантовые поля. Не так-то легко заставить квантовые поля действовать наподобие резиновой ленты.