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

Более того, из этой схемы начинала вырисовываться красивая симметрия между кварками и такими частицами, как электроны и мюоны, в которой все их можно было разбить на пары, связанные со слабым взаимодействием. Парой для электрона при этом становилось его собственное нейтрино, и для мюона аналогично. Верхний и нижний кварки также образовывали пару, а очарованный и странный кварки – вторую. Тогда W-частицы, взаимодействуя с одной из частиц в каждой паре, превращали бы их во вторую частицу той же пары.

Однако ни один из приведенных аргументов не решал центральной проблемы сильного взаимодействия между кварками. Почему никто никогда не видел ни одного кварка? И если сильное взаимодействие действительно описывается калибровочной теорией с глюонами в качестве калибровочных частиц, то как, хотя бы в принципе, можно увидеть глюон? Наконец, если глюоны действительно не имеют массы, то почему сильное взаимодействие имеет такой малый радиус действия?

Эти проблемы, по мнению некоторых ученых, указывали на то, что квантовая теория поля – негодный подход к пониманию сильного взаимодействия. Фримен Дайсон, сыгравший такую важную роль в разработке первой успешной квантовой теории поля – квантовой электродинамики, утверждал, имея в виду сильное взаимодействие: «В ближайшие сто лет верная теория не будет найдена».

Одним из тех, кто был убежден, что квантовая теория поля обречена, был блестящий молодой теоретик Дэвид Гросс. Как ученик Джеффри Чу – автора бутстрап-гипотезы о ядерной демократии, в которой элементарные частицы представляли собой всего лишь иллюзию, прикрывающую структуру, в которой реальны были только симметрии, но не частицы, – Гросс был прекрасно подготовлен и решительно настроен прикончить квантовую теорию поля раз и навсегда.

Не забывайте, что даже в конце 1965 г., когда Ричард Фейнман получал свою Нобелевскую премию, процедура, которую он и другие ученые разработали для избавления от расходимостей в квантовой теории поля, все еще считалась своего рода фокусом; многие полагали, что на малых масштабах что-то капитально не так с картиной, которую представляет квантовая теория поля.

В 1950-е гг. советский физик Лев Ландау показал, что электрический заряд электрона зависит от масштаба, на котором вы его измеряете. Виртуальные частицы выскакивают из ниоткуда в пустом пространстве, так что электроны и все остальные элементарные частицы окружены облаком виртуальных пар частица – античастица. Эти пары экранируют заряд в точности так же, как экранируется заряд в диэлектрических материалах. Положительно заряженные виртуальные частицы стремятся теснее окружить отрицательный заряд, поэтому на некотором расстоянии физические эффекты исходного отрицательного заряда снижаются.

Это означало, по мнению Ландау, что чем ближе подходишь к электрону, тем больше будет казаться его реальный заряд. Если при измерении на больших расстояниях мы получаем для заряда электрона некую конкретную величину, как и происходит на самом деле, то это должно означать, что «чистый» заряд на электроне, то есть заряд на фундаментальной частице, рассматриваемый без учета всей бесконечной оболочки в виде пар частица – античастица, окружающих ее на все более мелких масштабах, должен быть бесконечным. Ясно, что с этой картиной что-то откровенно не так.

Гросс находился под влиянием не только своего научного руководителя, но и преобладающих взглядов того времени, в первую очередь аргументов Гелл-Манна, единолично доминировавшего в теоретической физике конца 1950-х – начала 1960-х. Гелл-Манн считал, что нужно использовать алгебраические соотношения, возникающие из размышлений о теориях поля, а затем сохранить эти соотношения, отбросив при этом теорию поля. Он заявлял, очень по-гелл-манновски описывая ситуацию: «Мы могли бы сравнить этот процесс с методом, который иногда используется во французской кухне: кусок фазаньего мяса готовится между двумя ломтиками телятины, которые затем выбрасывают».

Таким образом, можно было вычленить потенциально полезные для предсказаний свойства кварков, а затем игнорировать возможность реального существования кварков. Однако Гросса уже не устраивало простое использование идей, связанных с глобальными симметриями и алгебрами, он хотел исследовать динамику, которая могла бы по-настоящему описывать физические процессы внутри сильно взаимодействующих частиц. Гросс и его соавтор Кёртис Каллан опирались на более раннюю работу Джеймса Бьёркена и хотели показать, что заряженные частицы, расположенные, судя по всему, внутри протонов и нейтронов, должны иметь спин ½, то есть точно такой же, как у электронов. Позже, уже с другими соавторами, Гросс показал, что при аналогичном анализе рассеяния нейтрино на протонах и нейтронах данные ЦЕРН демонстрируют, что эти компоненты выглядят в точности как кварки, существование которых предположил в свое время Гелл-Манн.