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

А на самом деле мы гораздо сильнее похожи на физиков, обитающих на ледяном кристалле изморози, чем можем себе представить. Зато нетрудно вообразить, что, как и у этих физиков, наша близорукость далеко не сразу была замечена физическим сообществом.

Сейчас ошибки прошлого могут показаться очевидными, но не забывайте, что объекты, наблюдаемые в зеркале заднего вида, часто оказываются ближе, чем кажется. Легко критиковать наших предшественников за упущения, но и то, что сегодня ставит нас в тупик, нашим потомкам может показаться очевидным. Работая на переднем крае науки, мы движемся по тропе, зачастую скрытой в тумане.

Аналогия со сверхпроводимостью, которую впервые использовал Намбу, полезна, но в основном по совершенно иным причинам, чем думали в свое время Намбу и другие. Задним числом ответ может показаться чуть ли не очевидным, как становятся очевидными после финала все намеки и детали, указывающие на убийцу в романах Агаты Кристи. Но, как и в этих детективах, на пути исследователя возникает множество отвлекающих деталей, а тупиковые направления делают полученное в конечном итоге решение еще более неожиданным.

Можно только посочувствовать физикам в той неразберихе, что царила тогда в исследованиях элементарных частиц. Вводились в строй новые ускорители, и всякий раз, когда преодолевался новый порог энергии столкновения, перед изумленным взором ученых появлялись новые сильно взаимодействующие родичи нейтронов и протонов. Процесс казался бесконечным. Это обескураживающее разнообразие заставляло и теоретиков, и экспериментаторов сконцентрироваться на загадке сильного ядерного взаимодействия: казалось, что именно в нем заключается самый серьезный вызов существующей теории.

Казалось, микромир можно описать как потенциально бесконечное число элементарных частиц со все возрастающими массами. Но все это плохо сочеталось с идеями квантовой теории поля – успешной концепции, сумевшей чудесно объяснить релятивистское квантовое поведение электронов и фотонов.

Физик Джеффри Чу из Университета в Беркли возглавил работу над популярной и влиятельной программой разрешения этой проблемы. Чу отказался от идеи существования каких бы то ни было по-настоящему фундаментальных частиц и от всякой микроскопической квантовой теории с участием точечных частиц и связанных с ними квантовых полей. Вместо этого он предположил, что все наблюдаемые частицы, участвующие в сильном взаимодействии, вовсе не являются точечными, а представляют собой сложные связанные состояния других частиц. С этой точки зрения редукция к первичным фундаментальным объектам невозможна. Такая дзеновская картина была весьма уместной для Беркли 1960-х гг. Все частицы мыслились в ней состоящими из других частиц. Это так называемая бутстрапная модель, в которой никакие элементарные частицы не считались первичными или особыми. Поэтому такой подход называли также ядерной демократией.

Этот подход получил поддержку многих физиков, успевших уже разочароваться в квантовой теории поля как инструменте для описания любых взаимодействий, за исключением самых простых взаимодействий между электронами и фотонами. Однако некоторые ученые были так впечатлены успехом квантовой электродинамики, что попытались выстроить аналогичную ей теорию сильного ядерного взаимодействия (такое название за ним закрепилось) по лекалам, предложенным ранее Янгом и Миллсом.

Один из этих физиков, Дж. Сакураи, опубликовал в 1960 г. статью, довольно амбициозно озаглавленную: «Теория сильных взаимодействий». Сакураи всерьез воспринял предложение Янга и Миллса и попытался досконально разобраться, какие из фотоноподобных частиц могли бы переносить сильное взаимодействие между протонами, нейтронами и другими новооткрытыми частицами. Поскольку сильное взаимодействие проявляется только на малых расстояниях, не превышающих размеров ядра, представлялось разумным, что частицы, необходимые для переноса этого взаимодействия, должны быть массивными, что несовместимо с какой бы то ни было точной калибровочной симметрией. Но, с другой стороны, они должны были обладать многими свойствами, аналогичными свойствам фотонов, и иметь спин, равный 1, – так называемый векторный спин. Новые предсказанные частицы назвали массивными векторными мезонами. Они должны были связываться с различными токами сильно взаимодействующих частиц, так же как фотоны связываются с токами электрически заряженных частиц.

Частицы с общими свойствами предсказанных Сакураи векторных мезонов были открыты экспериментально уже в следующие два года, и мысль о том, что они могут каким-то образом раскрыть секрет сильного взаимодействия, стояла за попытками с их помощью разобраться в сложных взаимодействиях между нуклонами и другими частицами.

В ответ на предположение о том, что в основе сильного взаимодействия может лежать какая-то разновидность симметрии Янга – Миллса, Мюррей Гелл-Манн разработал изящную схему симметрии, которую в духе дзен назвал восьмеричным путем. Эта схема не только позволяла классифицировать восемь различных векторных мезонов, но и предсказывала существование новых, не наблюдавшихся до той поры частиц, участвующих в сильном взаимодействии. Идея о том, что эти новопредложенные симметрии природы, возможно, помогут привнести порядок в то, что казалось на тот момент безнадежным паноптикумом элементарных частиц, оказалась настолько захватывающей, что, когда предсказанная им частица была-таки открыта, Гелл-Манн получил Нобелевскую премию.

Но Гелл-Манна чаще всего вспоминают в связи с другой, более фундаментальной идеей. Он – и независимо от него Джордж Цвейг – ввел то, что Гелл-Манн назвал кварками , заимствовав это слово из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану»; кварки помогли ученым физически объяснить свойства симметрий восьмеричного пути. Если предположить, что именно из кварков, которые Гелл-Манн рассматривал всего лишь как удобный инструмент для математических расчетов (точно так же Фарадей в свое время рассматривал предложенные им электрическое и магнитное поля), состоят все участвующие в сильном взаимодействии частицы, такие как протоны и нейтроны, то удавалось предсказать все симметрии и свойства известных частиц. И вновь в воздухе, казалось, повисло предчувствие близкого великого объединения, в результате которого разрозненные частицы и силы сольются в одно упорядоченное целое.

Значение гипотезы о кварках невозможно переоценить. Хотя Гелл-Манн и не утверждал, что его кварки представляют собой реальные физические частицы внутри протонов и нейтронов, предложенная им схема систематизации означала, что соображения симметрии, возможно, определяют в конечном итоге природу не только сильного взаимодействия, но и всех фундаментальных частиц в природе.