Фрэнк Вильчек - Красота физики. Постигая устройство природы

Кварковая модель также дает правдоподобное объяснение сложности адронных сил. Даже если отдельные кварки взаимодействуют просто, но, когда связанные состояния из трех кварков или из кварка и антикварка встречаются друг с другом, существует большой простор для наводок и взаимоподавления. Примерно по тем же причинам обычная химия, основанная на взаимодействиях атомов, оказывается сложной и разнообразной, хотя силы между отдельными электронами, на которых она основана, чрезвычайно просты.

Кварковая модель была главным шагом в упорядочении адронного «зоопарка». Она предоставляет описание адронов, подобное по его объяснительной силе боровской модели атома. Но кварковая модель, как и модель Бора, имеет ограничения. Хотя она правильна по своему духу и исторически важна, кварковая модель является логически неполной и только полуматематической. Кроме того, она столкнулась с большой проблемой, что мы сейчас и обсудим.

Кварковая модель дала успешное описательное объяснение многих свойств протонов, нейтронов и родственных им адронов. Но она постулировала некоторые очень странные свойства для кварков. Возможно, самым странным из таких свойств является конфайнмент, шутливо изображенный на карикатуре на вклейке MM – она взята из плаката, который ознаменовал мою Нобелевскую премию. Предполагается, что кварки являются строительными блоками протонов, но, несмотря на очень большие усилия, свободные частицы со свойствами кварка (такими как дробный заряд, равный 2⁄3 или −1⁄3 электрического заряда протона) никогда не наблюдались. Таким образом, кварки в группах по три штуки могут образовывать протоны, в которых силы между ними оказываются умеренными. Но по каким-то причинам они не могут высвободиться – кварки удерживаются вместе, находясь в состоянии конфайнмента.

Чтобы учесть это поведение, нам, похоже, нужны связи между кварками, похожие на пружину или резинку, которые тянут кварк тем сильнее, чем больше растягивается связывающая пружина или резинка при увеличении расстояния. Пружины и резинки, конечно, сами по себе являются сложными физическими объектами, поэтому недопустимо предполагать их наличие в фундаментальной теории. И если мы все же так делаем, возникает вопрос: из чего сделана эта пружина?

Физики привыкли, что фундаментальные силы становятся слабее с расстоянием, как это происходит с гравитационными и электромагнитными силами, и поэтому конфайнмент оказался большой проблемой. Многие физики так не смогли заставить себя отнестись к кваркам серьезно именно из-за этого.

Уравнения Максвелла для электродинамики, уравнения Ньютона (и затем Эйнштейна) для гравитации и уравнения Шрёдингера (и затем Дирака) для атомной физики установили высокие стандарты красоты, ясности и точности. Ни сложные уравнения (а в сущности – таблицы), описывающие ядерные силы, ни общие идеи кварковой модели даже близко не подошли к этим стандартам.

И все же красивые, ясные, точные уравнения для сильного взаимодействия существовали. Они пролежали без дела много лет, прежде чем мы смогли их использовать. Это уравнения, которые основываются на уравнениях Максвелла и воплощают те представления, которые мы набросали в первой части этой главы.

Почти 20 лет прошло между формулировкой этих уравнений Янгом и Миллсом и появлением квантовой хромодинамики как их воплощения в реальности. Эта история – ошеломляющий пример соотношения

В сфере сильного взаимодействия не может быть сомнений, что ответ на наш Вопрос

Воплощает ли мир красивые идеи?

прост:

Да, воплощает.

Квантовая хромодинамика (КХД) использует идеи и уравнения, которые являются грандиозным обобщением уравнений Максвелла для электромагнетизма, расширенным, чтобы включить еще больше симметрии. Мне нравится говорить, что КХД (QCD) выглядит как квантовая электродинамика (КЭД, QED) на стероидах.

В КЭД есть один вид заряда – электрический заряд. Он может быть положительным, как у протонов, или отрицательным, как у электронов, но в любом случае мы определяем его количество при помощи всего одного числа (положительного или отрицательного). А вот КХД содержит целых три вида заряда. Они без какого-либо серьезного основания были названы цветами; для определенности будем называть их красным, зеленым и синим.

В КЭД есть одна частица, переносящая взаимодействие. Это фотон, который отвечает на электрический заряд. А в КХД содержится сразу восемь частиц-переносчиков взаимодействия, названных цветными глюонами. Два из них, подобно фотону, отвечают на цветовой заряд. (А почему не три? Это объясняется в следующем абзаце.) Остальные шесть обеспечивают преобразования из одного цвета в другой. Таким образом, есть глюон, который превращает единицу красного заряда в единицу зеленого заряда, другой превращает единицу зеленого заряда в единицу синего заряда и т. д.

Правило отбеливания – это красивая особенность КХД, которая физически важна, которую довольно легко сформулировать и очень легко продемонстрировать математически, но трудно мотивировать интуитивно. (По крайней мере я не нашел для этого хорошего способа.) Согласно правилу отбеливания, результирующий эффект от наличия единицы красного заряда, единицы зеленого заряда и единицы синего заряда в одном и том же самом месте – нулевой: они взаимно гасятся. (Для экспертов: здесь я предполагаю, что они находятся в антисимметричной конфигурации.) Это смутно напоминает то, как три спектральных цвета (красный, зеленый и синий) могут сложиться и дать нейтральный белый – отсюда и термин «отбеливание» – хотя, конечно, физика этих процессов абсолютно различна. Именно из-за правила отбеливания, которое делает одну комбинацию зарядов бессильной, мы получаем только два, а не три вида глюонов, отвечающих на цветовой заряд.

Каждый кварк переносит одну единицу цветового заряда. Цвет кварка – это независимое свойство, которое мы должны указать в дополнение к таким свойствам, как электрический заряд или масса, и оно никак не менее важно. Однако в отличие от электрического заряда или массы цвет кварка – это не одно число, а три. Точнее сказать, он кодирует позицию в трехмерном пространстве свойств. Существование этих новых видов заряда – основа КХД. Этот факт настолько существенный, настолько красивый и настолько важный для более поздних разработок, что мы просто обязаны сделать обзор его оснований в реальности.

Кварки впервые удалось «увидеть» в экспериментах, проведенных Джеромом Фридманом, Генри Кендаллом и Ричардом Тейлором на Стэнфордском линейном ускорителе в конце 1960-х. В сущности они делали снимки «внутренностей» протонов. При использовании (виртуальных) фотонов очень высоких энергий они смогли достичь хорошего разрешения для очень маленьких расстояний и времен.