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

Это похоже на растягивание резиновой ленты. В конце концов лента, вместо того чтобы растягиваться до бесконечности, разорвется на две части. Каждый кусок ее в данном случае будет символизировать новую связанную пару кварк – антикварк.

Что это должно означать для экспериментаторов? Ну, если я ускоряю частицу, к примеру электрон, и она сталкивается с кварком внутри протона, то кварк будет выбит из протона наружу. Но, когда кварк начинает выходить из протона, его взаимодействие с остающимися кварками усилится, и в конечном итоге станет энергетически выгодно, чтобы из вакуума выскочила пара кварк – антикварк и ее составляющие связались как с выбитым кварком, так и с его остающимися собратьями. Это означает, что возникнет ливень сильно взаимодействующих частиц, таких как протоны, нейтроны, пионы и т. д., движущийся вдоль траектории первоначального выбитого кварка, и аналогичный ливень сильно взаимодействующих частиц в направлении движения оставшихся от протона исходных кварков. А потому никто и никогда не увидит кварки по отдельности.

Аналогично, если частица сталкивается с кварком, то при отскоке кварк иногда, прежде чем связаться с появившимся из вакуума антикварком, испускает глюон. Далее, поскольку глюоны взаимодействуют и с кварками, и между собой, новый глюон может испустить еще несколько глюонов. Эти глюоны, в свою очередь, также будут окружены новыми кварками, возникшими из вакуума, и породят новые сильно взаимодействующие частицы, движущиеся вдоль направлений движения каждого из первоначальных глюонов. В этом случае можно ожидать увидеть в некоторых случаях не одиночный ливень, движущийся в направлении движения первоначального кварка, а несколько таких ливней, соответствующих каждому из новых глюонов, испущенных по пути.

Поскольку квантовая хромодинамика – конкретная, вполне определенная теория, по ней можно предсказать частоту, с которой кварки будут испускать глюоны, и частоту, с которой можно будет увидеть одиночный ливень частиц, или, как принято говорить, струю, выброшенную при столкновении электрона с протоном или нейтроном, а также частоту, с которой можно будет увидеть две струи, и т. д. Со временем, когда ускорители стали достаточно мощными, чтобы наблюдать на них все эти процессы, экспериментально наблюдаемые частоты в точности совпали с предсказаниями теории.

Есть все основания считать, что эта картина свободных кварков и глюонов, которые быстро связываются с новыми кварками и антикварками, так что никто и никогда не сможет наблюдать свободный кварк или глюон, соответствует действительности. Это явление называется конфайнментом , или невылетанием кварков, поскольку кварки и глюоны всегда заключены внутри сильно взаимодействующих частиц, таких как протоны и нейтроны, и не могут вылететь из них, без того чтобы не оказаться заключенными внутри вновь созданных сильно взаимодействующих частиц.

Поскольку реальные процессы, за счет которых кварки оказываются заключенными внутри частиц, протекают, когда взаимодействие становится все сильнее и сильнее по мере удаления кварка от его первоначальных компаньонов, стандартные вычислительные методы квантовой теории поля, пригодные для не слишком сильных взаимодействий, перестают работать. Так что эта проверенная экспериментом картина не может в настоящий момент быть полностью подтверждена точными расчетами.

Сможем ли мы когда-нибудь разработать математические инструменты, необходимые для того, чтобы, отталкиваясь от первичных принципов, аналитически продемонстрировать, что конфайнмент действительно представляет собой математическое свойство квантовой хромодинамики? Это вопрос на миллион долларов, причем в буквальном смысле. Математический институт Клэя объявил приз в миллион долларов за строгое математическое доказательство того, что квантовая хромодинамика действительно не допускает появления свободных кварков или глюонов. Хотя ни одного претендента на приз пока не объявилось, у нас все же есть сильные косвенные свидетельства в пользу этой идеи, причем исходят они не только из экспериментальных наблюдений, но и из численных моделей, которые с хорошей точностью соответствуют сложным взаимодействиям квантовой хромодинамики. Это внушает оптимизм, хотя ничего и не гарантирует. Нам еще предстоит подтвердить, что это свойство теории, а не компьютерной модели. Однако для физиков, хотя, может быть, и не для математиков, это выглядит достаточно убедительно.

Последнее прямое подтверждение того, что квантовая хромодинамика верна, пришло из той области, где точные расчеты возможны. Поскольку кварки на коротких расстояниях не абсолютно свободны, то, как я уже упоминал, должны иметь место вычислимые поправки к экзотическим явлениям скейлинга при высокоэнергетических столкновениях электронов с протонами и нейтронами, которые первоначально наблюдались на SLAC. Идеальный скейлинг требовал бы абсолютно невзаимодействующих частиц. Поправки, которые можно рассчитать на основе квантовой хромодинамики, должны наблюдаться только в куда более чувствительных экспериментах, чем те, что первоначально проводились на SLAC. Их проверка стала возможна лишь после разработки новых ускорителей высоких энергий. Спустя примерно тридцать лет было собрано достаточно данных, чтобы убедиться в соответствии теоретических предсказаний и эксперимента с точностью 1 %, и квантовая хромодинамика как теория сильного взаимодействия получила наконец точное подтверждение в своих деталях.

В 2004 г. Гросс, Вильчек и Политцер были наконец удостоены Нобелевской премии за открытие асимптотической свободы. Экспериментаторы, первыми обнаружившие сейлинг на SLAC, – а это было ключевое наблюдение, подтолкнувшее теоретиков в верном направлении, – получили Нобелевскую премию гораздо раньше, в 1990 г. А экспериментаторы, открывшие очарованный кварк в 1974 г., получили Нобелевку всего через два года, в 1976 г.

Но самая большая награда – это, как говорил Ричард Фейнман, не признание в форме медали или денежной премии и даже не похвала из уст коллег или публики, но счастье реально узнать о природе нечто новое.

В этом смысле 1970-е гг. были, возможно, богатейшим десятилетием XX века, если не всей истории физики. В 1970 г. только один тип фундаментальных взаимодействий мы понимали полностью, то есть как квантовую теорию, и это была квантовая электродинамика. К 1979 г. мы разработали и экспериментально проверили величайшее, возможно, теоретическое сооружение, созданное до сего момента человеческим разумом, – Стандартную модель физики элементарных частиц, точно описывающую три из четырех известных взаимодействий в природе. Путь к этой вершине охватывает всю историю современной физики, начиная с исследования природы движущихся тел Галилеем и последовавшие открытие законов движения Ньютоном, экспериментальное и теоретическое исследование природы электромагнетизма, объединение пространства и времени Эйнштейном, открытие ядра, квантовой механики, протонов, нейтронов, открытие собственно слабого и сильного взаимодействий.