Основы реальности. 10 фундаментальных принципов устройства Вселенной - [33]

.

Главное открытие ядерной физики до квантовой хромодинамики состояло в том, что моделирование атомных ядер полезно начинать с протонов и нейтронов. Но, чтобы не дать ядрам развалиться, между их составляющими должны действовать какие-то неизвестные силы: электрическое отталкивание протонов стремится разорвать ядро, а гравитация слишком мала. Эти новые силы ученые назвали сильным взаимодействием и стали разбираться, что же оно собой представляет. Когда с этой целью начали исследовать поведение протонов и нейтронов, все очень быстро совсем запуталось. Прорыв случился, только когда ученые заглянули внутрь протонов.

Внутри протонов

Чтобы заглянуть внутрь протонов, физики следовали той же стратегии, которая позволила раньше исследовать строение атома, а именно проводили эксперименты по рассеянию в духе Гейгера и Марсдена. О них мы говорили выше, но теперь и рассеивающиеся пучки были другого типа, и методика усовершенствована. Ученые вновь направляли на интересующий объект пучок частиц, следили, как они отклоняются, а затем, используя полученную картину, делали шаг назад к структуре, обусловившей эти отклонения.

Самое важное усовершенствование состояло в том, что нужно было не только определить степень отклонения частиц (в первых экспериментах это были электроны), но и измерить потери ими энергии. Эта дополнительная информация позволяет нам выполнить анализ как во времени, так и в пространстве. Она помогает — после кропотливой обработки изображений — получить моментальный снимок внутренности протона. Важно получить именно такой снимок, потому что, оказывается, составляющие протона быстро движутся. При длинной выдержке — в нашем контексте это означает выдержку, превышающую одну миллионную от одной миллиардной одной миллиардной секунды, — все будет смазано.

Свобода и тюрьма[68]

Картина внутреннего устройства протона преподносит нам несколько сюрпризов — например, демонстрирует, что он содержит частицы меньших размеров, включая кварки. Раньше они использовались как теоретические конструкции, позволяющие упорядочить результаты наблюдений сильно взаимодействующих частиц, но в их физическом существовании ученые сомневались — даже Мюррей Гелл-Манн[69], один из авторов гипотезы о кварках. Он сравнивал кварки с кусками телятины из «рецепта, который иногда используют во французской кухне: кусок мяса фазана готовят между двумя кусками телятины, которые затем выбрасывают»[70]. Другой «отец» кварков, Джордж Цвейг[71], воспринимал их гораздо более буквально. Он годами придумывал способ обнаружить изолированные кварки вне протонов. Эти попытки не увенчались успехом, и как мы теперь знаем — или думаем, что знаем, — они были обречены на неудачу.

Весь этот скептицизм был вполне обоснован. Кварки — частицы с весьма необычными свойствами и поведением. Начнем с того, что их электрический заряд равен доле заряда электрона. Никогда прежде никто не сталкивался с дробными зарядами. А еще никому не удавалось обнаружить свободные кварки — только внутри протонов и других сильно взаимодействующих частиц, так называемых адронов.

Это явление называют конфайнментом. Оно осталось загадкой даже после того, как ученые получили мгновенные снимки протонов, подтвердившие гипотезу кварков.

Судя по всему, внутри протона кварки практически не влияют друг на друга. Однако в конечном счете силы, действующие между ними, не дают им вырваться наружу.

Моя первая серьезная работа по физике, написанная, когда я был аспирантом Дэвида Гросса, касалась именно этой проблемы. Мы хотели объяснить парадоксальное поведение кварков, не задевая при этом таких «священных коров», как локальность, общая теория относительности и квантовая теория. Таким образом, мы хотели на базе квантовых полей построить теорию, где силы взаимодействия частиц, разнесенных на большое расстояние, соответствуют сильному притяжению, но ослабевают, когда частицы сближаются. В обычной жизни так ведет себя эластичная резиновая лента. Но резиновые ленты — не квантовые поля. Не так-то легко заставить квантовые поля действовать наподобие резиновой ленты.

После короткой, но напряженной схватки нам удалось построить теорию, которая с этим справилась, — она называется квантовая хромодинамика, или КХД. Сначала свидетельства в ее пользу были очень шаткими. Но со временем, после экспериментов при более высоких энергиях, такие свидетельства начали накапливаться и становиться все надежнее. Теперь, спустя практически пятьдесят лет, количество их огромно.

Наш путь начинался с нечетко сформулированной идеи и озадаченности. Он вел через рутинные исследования, озарения, расчеты, результаты, проверки — но в конце нас ждала еще одна истина о физическом мире, с которой согласились коллеги. И каждый шаг по тому пути был невероятным подарком. В 2004 году Дэвид Гросс и я получили за эту работу Нобелевскую премию. Мы разделили ее с Дэвидом Политцером, который независимо провел похожие вычисления.

Масса из энергии: m = E/c²

Теперь я расскажу о самом поразительном следствии из КХД — она объясняет происхождение большей части массы.

Знаменитая формула Эйнштейна