Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

Мало того, з цієї схеми стала випливати гарна симетрія між кварками й частинками на кшталт електронів і мюонів, які всі могли існувати у вигляді пар, зв’язаних за допомогою слабкої сили. Електрон парувався б із власним нейтрино, так само як і мюон. Також пари утворювали б верхній кварк із нижнім та чарівний кварк із дивним. W-частинки, взаємодіючи з однією з частинок у кожній парі, перетворювали б її на іншу частинку з цієї пари.

Утім, жодне з цих тверджень не вирішувало головних проблем сильної взаємодії між кварками. Чому ніхто ніколи не спостерігав жодного кварка? І, якщо сильна взаємодія описується калібрувальною теорією з глюонами в ролі калібрувальних частинок, як так сталося, що ніхто ніколи не спостерігав жодного глюона? І якщо глюони безмасові, як сильна сила може бути близькодійною?

Для декого ці проблеми залишалися свідченням того, що квантова теорія поля була хибним підходом до розуміння сильної сили. Фрімен Дайсон, який зіграв настільки важливу роль у розробці першої успішної квантової теорії поля, а саме квантової електродинаміки, стверджував, описуючи сильну взаємодію: «Правильна теорія буде знайдена не раніше, ніж за сто років».

Одним із тих, хто був переконаний у приреченості квантової теорії поля, був блискучий молодий фізик-теоретик Девід Ґросс. Учень Джефрі Чю, винахідника бутстрап-моделі ядерної демократії, у якій елементарні частинки були лише ілюзією, що маскує структуру, у якій реальні лише симетрії, а не частинки, Ґросс був усерйоз налаштований на остаточне знищення квантової теорії поля.

Згадаймо, що навіть 1965 року, коли Річард Фейнман одержав Нобелівську премію, побутувало відчуття, що розроблена ним та іншими процедура позбуття нескінченностей у квантовій теорії поля була фокусом; що на малих масштабах із картиною, запропонованою квантовою теорією поля, щось було фундаментально не так.

У 1950-х роках російський фізик Лев Ландау показав, що електричний заряд електрона залежить від масштабу, на якому він вимірюється. З нікуди вигулькують віртуальні частинки, тож електрони та всі інші елементарні частинки перебувають в оточенні хмари пар віртуальних частинок й античастинок. Ці пари екранують заряд аналогічно до екранування заряду в діелектриках. Позитивно заряджені віртуальні частинки схильні щільно оточувати негативний заряд, тож на відстані фізичні впливи початкового негативного заряду зменшуються.

Згідно з Ландау, це означало, що чим ближче ви підбираєтеся до електрона, тим більшим виглядатиме його дійсний заряд. Якщо заряд електрона дорівнює певному конкретному значенню при вимірюванні з великих відстаней, як ми це й робимо, це означає, що «чистий» заряд електрона, себто заряд на елементарній частинці, узятій без усього цього нескінченного вбрання з пар «частинка – античастинка», які оточують його на будь-яких маленьких масштабах, має бути нескінченним. У цій картині явно завелася гнилизна.

Ґросс працював під впливом не лише свого наукового керівника, а й думок, які на той час домінували, головним чином аргументів Гелл-Манна, котрий наприкінці 1950-х та на початку 1960-х років домінував у теоретичній фізиці елементарних частинок. Гелл-Манн обстоював використання алгебраїчних співвідношень, що постають із розмірковувань про теорію поля, після чого теорію поля треба було відкинути, а співвідношення лишити. Один із дуже характерних для нього описів звучав так: «Цей процес можна порівняти з методом, подеколи використовуваним у французькій кухні: шмат м’яса фазана готують поміж двома скибочками телятини, які після цього викидають».

Тож можна було виділити властивості кварків, корисні для передбачень, а тоді ігнорувати власне можливе існування кварків. Одначе Ґросс почав розчаровуватися в простому використанні ідей, пов’язаних із глобальними симетріями й алгебрами, та прагнув вивчати динаміку, яка дійсно могла б описати фізичні процеси, що відбуваються всередині сильно взаємодійних частинок. Спираючись на попередню роботу Джеймса Бьйоркена, Ґросс та його напарник Кертіс Калан показали, що заряджена частинка, судячи з усього, розташована всередині протонів і нейтронів, повинна мати спін ½, ідентичний спіну електронів. Пізніше, уже з іншими напарниками, Ґросс показав, що аналогічний аналіз виміряного в ЦЕРН розсіювання нейтрино на протонах та нейтронах засвідчив, що ці компоненти виглядають точно як запропоновані Гелл-Манном кварки.

Якщо щось крякає, як качка, і ходить, як качка, то це, імовірно, качка. Тож для Ґросса й інших реальність кварків була переконливо доведена.

Проте як би переконані не були Ґросс та багато інших у реальності кварків, вони були не менш переконані, що з цього випливало, що теорія поля ніяк не могла бути правильним способом опису сильної взаємодії. Результати експериментів вимагали, щоб складові елементи практично не взаємодіяли між собою; жодної сильної взаємодії.

1969 року колеги Ґросса з Принстона Кертіс Калан та Курт Симанзік перевідкрили систему рівнянь, яку досліджували спершу Ландау, а пізніше Гелл-Манн та Френсіс Лоу і яка описувала можливу зміну величин у квантовій теорії поля залежно від масштабу. Якщо партони, існування яких випливало з експериментів у СЦЛП, беруть участь хоч у якихось взаємодіях, як це мають робити кварки, тоді матимуть місце вимірювані відхилення від виведеного Бьйоркеном скейлінгу, і, відповідно, треба буде відкоригувати результати, які одержали ґросс та його напарники, порівнянюючи теорію з результатами експериментів у СЦЛП.

Упродовж наступних двох років на тлі результатів ‘т Гофта та Велтмана й дедалі більшої успішності передбачень теорії слабкої й електромагнітної взаємодій, усе більше людей почали знову звертати увагу на квантову теорію поля. Ґросс вирішив довести з великим ступенем узагальненості, що жодна притомна квантова теорія поля не здатна відтворити експериментальні результати стосовно природи протонів і нейтронів, одержані в СЦЛП. Таким чином він сподівався покласти край усьому цьому підходу до спроб зрозуміти сильну взаємодію. По-перше, він довів би, що єдиний спосіб пояснити результати СЦЛП полягав у тому, що якимось чином на коротких відстанях сила взаємодій квантового поля знижується до нуля, тобто на коротких відстанях поля, по суті, стають невзаємодійними. Далі, як наступний крок, він показав би, що ця властивість не притаманна жодній квантовій теорії поля.

Пригадаймо, що Ландау показав, що квантова електродинаміка, прототипічна узгоджена квантова теорія поля, поводиться точно навпаки. У міру того, як розмірність, на якій ви досліджуєте частинки (на кшталт електронів), зменшується, сила електричних зарядів збільшується через існування хмари віртуальних частинок і античастинок, що їх оточує.

На початку 1973 року Ґросс та його напарник Джорджо