Лоуренс Краусс - Таємниці походження всесвіту

Якщо щось крякає, як качка, і ходить, як качка, то це, імовірно, качка. Тож для Ґросса й інших реальність кварків була переконливо доведена.

Проте як би переконані не були Ґросс та багато інших у реальності кварків, вони були не менш переконані, що з цього випливало, що теорія поля ніяк не могла бути правильним способом опису сильної взаємодії. Результати експериментів вимагали, щоб складові елементи практично не взаємодіяли між собою; жодної сильної взаємодії.

1969 року колеги Ґросса з Принстона Кертіс Калан та Курт Симанзік перевідкрили систему рівнянь, яку досліджували спершу Ландау, а пізніше Гелл-Манн та Френсіс Лоу і яка описувала можливу зміну величин у квантовій теорії поля залежно від масштабу. Якщо партони, існування яких випливало з експериментів у СЦЛП, беруть участь хоч у якихось взаємодіях, як це мають робити кварки, тоді матимуть місце вимірювані відхилення від виведеного Бьйоркеном скейлінгу, і, відповідно, треба буде відкоригувати результати, які одержали ґросс та його напарники, порівнянюючи теорію з результатами експериментів у СЦЛП.

Упродовж наступних двох років на тлі результатів ‘т Гофта та Велтмана й дедалі більшої успішності передбачень теорії слабкої й електромагнітної взаємодій, усе більше людей почали знову звертати увагу на квантову теорію поля. Ґросс вирішив довести з великим ступенем узагальненості, що жодна притомна квантова теорія поля не здатна відтворити експериментальні результати стосовно природи протонів і нейтронів, одержані в СЦЛП. Таким чином він сподівався покласти край усьому цьому підходу до спроб зрозуміти сильну взаємодію. По-перше, він довів би, що єдиний спосіб пояснити результати СЦЛП полягав у тому, що якимось чином на коротких відстанях сила взаємодій квантового поля знижується до нуля, тобто на коротких відстанях поля, по суті, стають невзаємодійними. Далі, як наступний крок, він показав би, що ця властивість не притаманна жодній квантовій теорії поля.

Пригадаймо, що Ландау показав, що квантова електродинаміка, прототипічна узгоджена квантова теорія поля, поводиться точно навпаки. У міру того, як розмірність, на якій ви досліджуєте частинки (на кшталт електронів), зменшується, сила електричних зарядів збільшується через існування хмари віртуальних частинок і античастинок, що їх оточує.

На початку 1973 року Ґросс та його напарник Джорджо Парізі завершили першу частину доведення, а саме що зі спостережуваного в СЦЛП скейлінгу випливає, що, якщо сильну ядерну силу можна описати якою-небудь фундаментальною квантовою теорією поля, сильні взаємодії складових протона повинні обнулюватися на малих масштабах відстані.

Далі Ґросс спробував показати, що така поведінка, а саме обнулення сили взаємодій на малих масштабах відстані, яке він назвав асимптотичною свободою, не властива жодній теорії поля. За допомогою Сідні Коулмана з Гарварду, який у той час відвідував Принстон, Ґросс зумів довести це твердження для всіх притомних квантових теорій поля, крім калібрувальних теорій янг-міллзівського типу.

Тоді Ґросс узяв керівництво новим докторантом, 21-річним Френком Вільчеком, який перейшов до Принстона з Чиказького університету з наміром вивчати математику, проте, прослухавши докторантський курс Ґросса з теорії поля, змінив фах на фізику.

Ґроссу або пощастило, або він був дуже проникливий, оскільки став науковим керівником докторських дисертацій двох найсвітліших голів із-поміж фізиків мого покоління: Вільчека та Едварда Віттена, який стояв на чолі струннотеоретичної революції 1980-1990-х років і є єдиним фізиком в історії, відзначеним престижною Філдсівською премією, найвищою нагородою для математиків. Вільчек, можливо, є одним із кількох справжніх фізиків-поліматів. На початку 1980-х років ми з Френком стали частими напарниками й друзями, і він є не лише одним із найбільш творчих фізиків, з якими мені доводилося працювати, він також володіє енциклопедичними знаннями з цієї сфери. Він прочитав майже всі коли-небудь написані праці з фізики і засвоїв цю інформацію. За ці роки він зробив чимало фундаментальних внесків не лише у фізику елементарних частинок, а й у космологію та фізику матеріалів.

Ґросс доручив Вільчеку асистувати йому в дослідженні останньої лазівки в його попередньому доведенні – визначенні, як змінюється сила взаємодії в янг-міллзівських теоріях у разі переходу до менших масштабів відстані, – і довести, що ці теорії також не здатні проявляти асимптотичну свободу. Вони вирішили безпосередньо та явно обраховувати поведінку взаємодій у цих теоріях на дедалі менших масштабах відстані.