Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

Міллзу, здавалося, що такий результат має бути наслідком якогось базисного принципу природи. Проте Намбу припускав, що ключову підказку може надати приклад надпровідності, зокрема виникнення нового характеристичного енергетичного масштабу, пов’язаного з енергією збудження, необхідною для зламу конденсату куперівських пар.

Упродовж трьох років Намбу досліджував, яким чином цю ідею можна адаптувати до порушення симетрії у фізиці елементарних частинок. Він запропонував модель, згідно з якою аналогічний конденсат деяких полів, що могли б існувати в природі, та мінімально необхідна для створення збудження й виходу з цього конденсованого стану енергія можуть бути характеристиками великої маси/енергії, пов’язаної з протонами та нейтронами.

Незалежно один від одного Намбу та фізик Джефрі Ґолдстоун встановили, що чіткою ознакою такого порушення симетрії було б існування інших безмасових частинок, які нині мають назву бозонів Намбу – Ґолдстоуна (НҐ), чия взаємодія з іншою матерією також відображатиме природу порушення симетрії. Тут можна провести аналогію з краще знайомою системою на кшталт крижаного кристала. У випадку просторового паралельного перенесення така система спонтанно порушує симетрію, оскільки під час руху в одному напрямку все виглядає зовсім інакше, ніж при русі в іншому напрямку. Проте в такому кристалі можливі крихітні вібрації окремих атомів в околі їхніх положень спокою. Ці вібраційні моди,[8] які, як уже згадувалося вище, називаються фононами, можуть накопичувати необмежено малі обсяги енергії. У квантовому світі фізики елементарних частинок ці моди відображатимуться у вигляді безмасових частинок Намбу – Ґолдстоуна, оскільки там, де виражена еквівалентність між енергією й масою, збудження, що переносять малу або нульову кількість енергії, відповідають безмасовим частинкам.

І – хто б міг подумати! – піони, що їх відкрив Пауелл, дуже гарно підходять під цей опис. Вони не зовсім безмасові, проте значно легші за всі інші сильно взаємодійні частинки. Їхні взаємодії з іншими частинками мають властивості, яких слід було б очікувати від НҐ-бозонів, які могли б існувати, якби в природі існував який-небудь здатний руйнувати симетрію феномен із розмірністю енергії збудження, яка могла б відповідати масштабам маси/енергії протонів і нейтронів.

Але, попри важливість праці Намбу, він і майже всі його колеги не помітили спорідненого, проте значно глибшого наслідку спонтанного порушення симетрії в теорії надпровідності, який пізніше надав ключ для розкриття істинної таємниці сильних і слабких ядерних сил. Намбу зосередився на порушенні симетрії під впливом надпровідності, проте аналогії, які він та його колеги провели з нею, були неповні.

Схоже, у нас значно більше спільного з тими крихітними фізиками з крижаного кристала на віконному склі, ніж ми коли-небудь собі уявляли. І, що, можливо, справедливо й для тих крихітних фізиків, ця короткозорість була зовсім не очевидною для «великої» фізичної спільноти.

Розділ 15
Життя всередині напівпровідника

Марноту говорять один до одного, їхні уста облесні, і серцем подвійним говорять…

Псалми 11:3

Завдяки післязнанню помилки минулого можуть здаватися очевидними, проте не забуваймо, що предмети в дзеркалі заднього огляду нерідко ближчі, аніж здається. Легко критикувати наших попередників за те, що вони впустили, утім, те, що ставить нас у глухий кут сьогодні, може бути очевидним для наших нащадків. Працюючи на передньому краї, ми ходимо шляхом, часто вкритим імлою.

Аналогія з надпровідністю, уперше досліджена Намбу, корисна, проте значною мірою з причин, відмінних від тих, які свого часу уявляли собі Намбу та інші. Заднім числом відповідь може здатися майже самоочевидною, точно так само, як маленькі натяки на справжнього вбивцю у творах Агати Крісті стають очевидними після його викриття. Проте, як і герої її детективів, ми також натрапляємо на купу помилкових слідів, і ці глухі кути роблять підсумкове рішення ще більш несподіваним.

Є всі підстави співпереживати тогочасним спантеличеним фізикам елементарних частинок. Запускали нові прискорювачі, і щоразу, як був досягнутий новий поріг енергії зіткнення, породжувалися нові сильно взаємодійні брати нейтронів і протонів. Цей процес видавався нескінченним. Від такого багатства розбігалися очі, і як теоретики, так і експериментатори були вмотивовані зосередитися на таємниці сильної ядерної сили, яка, здавалося, кидала найсерйозніший виклик наявній теорії.

Здавалося, що для мікроскопічного світу характерна потенційно нескінченна кількість елементарних частинок із дедалі більшими масами. Проте це суперечило всім ідеям квантової теорії поля – вдалої моделі, яка надала чудове розуміння релятивістської квантової поведінки електронів і фотонів.

Розробку популярної й впливової програми з розв’язання цієї проблеми очолював фізик із Берклі Джефрі Чю. Чю відмовився від ідеї існування якихось дійсно фундаментальних частинок, а також від будь-яких мікроскопічних квантових теорій, що включали точкоподібні частинки й пов’язані з ними квантові поля. Натомість він виходив із того, що всі спостережувані сильно взаємодійні частинки були не точкоподібними, а комплексними, зв’язаними станами інших частинок. Це означало, що ніякої редукції до первинних фундаментальних об’єктів бути не може. У цій дзеноподібній картині, яка настільки личила Берклі зразка 1960-х років, усі частинки вважали складеними з інших частинок – так звана бутстрап-модель, у якій жодні елементарні частинки не вважали первинними чи особливими. Саме тому цей підхід також дістав назву ядерної демократії.

І хоча він полонив багатьох фізиків, які розчарувались у квантовій теорії поля як інструменті для опису будь-яких взаємодій окрім найпростіших, між електронами й фотонами, жменька науковців була достатньо вражена успіхом квантової електродинаміки, щоби спробувати зімітувати її в теорії сильної ядерної сили – яка згодом стала відома як сильна взаємодія – за образом і подобою підходу, який обстоювали Янг і Міллз.

Один із цих фізиків, Д. Д. Сакураї, опублікував 1960 року статтю з вельми амбітною назвою «Теорія сильних взаємодій». Сакураї серйозно сприйняв пропозицію Янга й Міллза та спробував точно визначити, які фотоноподібні частинки можуть переносити сильну силу між протонами, нейтронами й іншими нововідкритими частинками. Оскільки сильна взаємодія була близькодійною, охоплюючи в найкращому випадку лише розмір ядра, здавалося, що частинки, необхідні для перенесення цієї сили, мають бути масивними,