Лоуренс Краусс - Таємниці походження всесвіту

Оскільки квантова хромодинаміка є конкретною, чітко визначеною теорією, можна передбачити частоту випускання кварками глюонів, частоту спостереження єдиної зливи, яка називається струменем, вибитим під час зіткнення електрона з протоном чи нейтроном, частоту спостереження двох злив тощо. Урешті-решт, коли прискорювачі стали достатньо потужними для спостереження всіх цих процесів, спостережувані частоти гарно узгоджувалися з передбаченнями теорії.

Є всі підстави вважати, що ця картина вільних кварків та глюонів, які настільки швидко зв’язуються з новими кварками та антикварками, що ніхто ніколи не побачить вільний кварк чи глюон, правильна. Це явище називається конфайнмент (від англійського «confinement», себто «утримання»), оскільки кварки та глюони завжди утримуються всередині сильно взаємодійних частинок на кшталт протонів та нейтронів і ніколи не можуть вивільнитися з них без того, щоб стати частиною новостворених сильно взаємодійних частинок.

Оскільки сам процес, унаслідок якого кварки утримуються в частинках, відбувається тоді, коли сили стають дедалі сильнішими в міру віддалення кварка від своїх початкових товаришів, стандартні обрахунки квантової теорії поля, слушні в разі не надто сильних взаємодій, ламаються. Тож наразі ця підтверджена експериментами картина не може бути повною мірою підтверджена розв’язними обчисленнями.

Чи виведемо ми коли-небудь математичні інструменти, необхідні для аналітичної демонстрації на основі неемпіричних обрахунків, що конфайнмент дійсно є математичною властивістю квантової хромодинаміки? Це питання на мільйон доларів, причому в буквальному сенсі слова. Математичний інститут Клея оголосив винагороду в мільйон доларів за строге математичне доведення того, що квантова хромодинаміка не допускає створення вільних кварків чи глюонів. Хоча досі претендентів на цю винагороду не було, є вагомі опосередковані свідчення на користь цієї ідеї не лише з боку експериментальних спостережень, а й з боку численних симуляцій, які близько апроксимують [11] Апроксимація – наближене вираження одних математичних об’єктів іншими, близькими за значенням, але простішими. складні взаємодії у квантовій хромодинаміці. Це якщо не переконує, то принаймні надихає. Усе одно необхідно підтвердити, що це властивість саме теорії, а не комп’ютерної симуляції. Утім, для фізиків це виглядає досить переконливо, хай навіть математики іншої думки.

Останній елемент безпосереднього доказу слушності КХД надійшов зі сфери, де можливо провести точні обрахунки. Вище я згадував, що, оскільки на малих відстанях кварки не повністю вільні, мають існувати обчислювані поправки на екзотичний феномен скейлінгу, який спостерігається у високоенергетичних зіткненнях електронів із протонами й нейтронами та вперше був зафіксований у СЦЛП. Ідеальний скейлінг вимагатиме абсолютно невзаємодійних частинок. Поправки, які можна обрахувати у квантовій хромодинаміці, можна буде спостерігати лише в значно чутливіших експериментах, аніж уперше проведені в СЦЛП. Для їх дослідження знадобилося розробити нові, більш високоенергетичні прискорювачі. Упродовж приблизно тридцяти років вдалося зібрати достатньо свідчень, щоб теоретичні передбачення зійшлися з результатами експериментів із точністю до 1 %, а квантову хромодинаміку як теорію сильної взаємодії вдалося все-таки точно й детально верифікувати.

2004 року Ґросс, Вільчек та Поліцер урешті-решт одержали Нобелівську премію за відкриття асимптотичної свободи. Експериментатори, які вперше відкрили скейлінг у СЦЛП, що стало ключовим спостереженням, яке спрямувало теоретиків у правильному напрямку, удостоїлися цієї нагороди значно раніше, 1990 року. А експериментатори, які 1974 року відкрили чарівний кварк, отримали Нобелівську премію вже через два роки, у 1976-му.

Проте, як казав Річард Фейнман, найвищою нагородою є не відзнака медаллю чи грошовою премією, і навіть не визнання з боку колег чи широкої публіки, а дізнання чогось по-справжньому нового про природу.

У цьому сенсі 1970-ті роки були, мабуть, найбагатшим десятиліттям в історії фізики ХХ століття, якщо не в усій історії фізики загалом. 1970 року ми повністю як квантову теорію розуміли лише одну силу природи, а саме квантову електродинаміку. До 1979 року ми розробили та експериментально перевірили, можливо, найвидатнішу теоретичну доктрину, створену людським розумом, – Стандартну модель фізики елементарних частинок, що описує рівно три з чотирьох відомих сил природи. Ця робота тривала впродовж усієї історії сучасної науки, від дослідження природи рухомих тіл Галілеєм, через відкриття Ньютоном законів руху, через експериментальні й теоретичні дослідження природи електромагнетизму, через Ейнштейнове об’єднання простору й часу, через відкриття ядра, квантової механіки, протонів, нейтронів та відкриття власне слабкої та сильної сил.