Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

що суперечило будь-якій строгій калібрувальній симетрії. Проте, за винятком цього, вони повинні мати багато властивостей, аналогічних властивостям фотонів, і мати спін 1, або так званий векторний спін. З огляду на це нові передбачені частинки були названі масивними векторними мезонами. Вони мали зв’язуватися з різноманітними потоками сильно взаємодійних частинок аналогічно тому, як фотони зв’язуються з потоками електрично заряджених частинок.

Частинки із загальними властивостями передбачених Сакураї векторних мезонів були експериментально відкриті впродовж наступних двох років, тож ідея, що вони якимось чином можуть розкрити секрет сильної взаємодії, була використана для розплутування складних взаємодій між нуклеонами та іншими частинками.

Відреагувавши на думку, що за сильною взаємодією може стояти деякий різновид янг-міллзівської симетрії, Маррі Гелл-Манн розробив вишукану схему симетрії, яку в дзеноподібній манері охрестив Восьмеричним Шляхом. Вона не лише давала можливість класифікувати вісім різних векторних мезонів, а ще й передбачала існування досі не спостережуваних сильно взаємодійних частинок. Ідея, що ці свіжозапропоновані симетрії природи можуть допомогти навести лад у тому, що здавалося безнадійно хаотичним звіринцем елементарних частинок, була настільки захоплива, що, коли пізніше відкрили частинку, яку передбачив Гелл-Манн, йому було присуджено Нобелівську премію.

Проте найчастіше Гелл-Манна згадують як автора більш фундаментальної ідеї. Він і незалежно від нього Джордж Цвейґ увели поняття того, що Гелл-Манн назвав кварками (це слово він запозичив із роману Джеймса Джойса «Поминки за Фіннеганом»), які мали фізично допомогти пояснити властивості симетрії його Восьмеричного Шляху. Якщо уявити, що множина кварків, які Гелл-Манн розглядав просто як зручний математичний звітний інструмент (так само як до того Фарадей розглядав електричне й магнітне поля, ним же й запропоновані), включає в себе всі сильно взаємодійні частинки на кшталт протонів і нейтронів, можна передбачити симетрію й властивості всіх відомих частинок. У повітрі знову запахло великим синтезом, який об’єднує розмаїті частинки й сили в єдине когерентне ціле.

Складно переоцінити важливість кваркової гіпотези. Хоча Гелл-Манн не стверджував, що його кварки є реальними фізичними частинками всередині протонів і нейтронів, його категоризаційна схема означала, що саме міркування симетрії можуть кінець кінцем визначати природу не лише сильної взаємодії, а й усіх фундаментальних частинок у природі.

Утім, хоча один різновид симетрії міг визначати структуру матерії, можливість доповнити цю симетрію до якогось різновиду янг-міллзівської калібрувальної симетрії, що визначала б сили взаємодії між частинками, більш досяжною не виглядала. Докучлива проблема спостережуваних мас векторних мезонів полягала в тому, що вони не могли правдиво відображати будь-яку базисну калібрувальну симетрію сильної взаємодії таким чином, який міг би однозначно визначити її форму та потенційно гарантувати, що вона матиме квантовомеханічний сенс. Будь-яке янг-міллзівське доповнення до квантової електродинаміки вимагало, щоб нові фотоноподібні частинки були безмасовими. Крапка.

Становище виглядало безвихідним, проте неочікуваний дзвінок-будильник надпровідності відкрив інший, менш очевидний та в остаточному підсумку більш плідний шлях.

Першим жаринки струснув теоретик, який працював безпосередньо в галузі фізики конденсованих середовищ, пов’язаної з надпровідністю в речовинах. Філіп Андерсон із Принстону, пізніше за іншу роботу відзначений Нобелівською премією, висунув припущення, що в контексті фізики елементарних частинок варто дослідити один із найфундаментальніших, усюдисущих феноменів надпровідників.

Однією з найефектніших демонстрацій, яку можна провести з надпровідниками, особливо новими високотемпературними надпровідниками, які допускають прояви надпровідності за температур рідкого азоту, є левітація магніту над надпровідником, як показано нижче:

Це можливо з причини, що її відкрили 1933 року в ході експерименту Вальтер Мейснер із колегами та пояснили двома роками пізніше теоретики Фріц і Хайнц Лондони; її назвали «ефект Мейснера».

Як шістдесятьма роками раніше відкрили Фарадей та Максвелл, електричні заряди по-різному реагують на магнітні й електричні поля. Зокрема, Фарадей відкрив, що змінне магнітне поле може спричинити протікання струму у віддаленому дроті. Не менш важливим фактом, на якому я раніше не наголошував, є те, що результуючий струм протікатиме так, що породить нове магнітне поле, спрямоване в зустрічному напрямку до змінного зовнішнього магнітного поля. Таким чином, якщо зовнішнє поле зменшуватиметься, згенерований струм породжуватиме магнітне поле, яке протидіятиме цьому зменшенню. Якщо ж воно збільшуватиметься, згенерований струм потече у зворотному напрямку й породить магнітне поле, яке протидіятиме цьому збільшенню.

Можливо, ви помічали, що коли розмовляєте стільниковим телефоном і заходите в певні ліфти, зокрема ті, у яких зовнішня частина кабіни облицьована металом, то після зачинення дверей зв’язок обривається. Це приклад явища під назвою «клітка Фарадея». Оскільки телефонний сигнал отримують у вигляді електромагнітної хвилі, метал екранує вас від зовнішнього сигналу, адже в металі виникають такі струми, які протидіють змінними електричному й магнітному полям у сигналі, через що його сила всередині ліфта значно слабшає.

Якщо взяти ідеальний провідник без жодного опору, то заряди в такому металі були б здатні, по суті, звести нанівець будь-які впливи зовнішнього змінного електромагнітного поля. У ліфті не ловилися б жодні сигнали цих змінних полів, себто жодний телефонний сигнал. Мало того, ідеальний провідник також екранував би впливи будь-якого постійного зовнішнього електричного поля, оскільки в надпровіднику заряди здатні у відповідь на появу будь-якого поля переорієнтовуватися і повністю відсікати його.

Проте ефект Мейснера цим не обмежується. У випадку надпровідника ніякі магнітні поля – навіть постійні магнітні поля на кшталт спричинених зображеним вище магнітом – не можуть проникнути всередину нього через те, що, якщо повільно наближати до нього здалеку магніт, надпровідник генеруватиме струм, котрий протидіятиме змінному магнітному полю, яке збільшується в міру наближення магніту. Але оскільки речовина надпровідна, струм не перестає протікати навіть після того, як магніт перестає рухатися. Якщо ж присунути магніт іще ближче, для протидії новому зростанню магнітного поля починає протікати сильніший струм. І так далі. Отже, через те, що струми в надпровіднику здатні протікати, не розсіюючись, екрануються не лише електричні, але й магнітні поля. Ось чому магніти левітують над надпровідниками. Струми в надпровіднику відбивають спричинене зовнішнім магнітом магнітне поле й за рахунок цього відштовхують магніт точно так само, наче на поверхні надпровідника перебуває інший магніт, чиї північний і південний полюси розташовані так само, як і в зовнішнього магніту.

Брати Лондони, які перші спробували пояснити ефект Мейснера, вивели