Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

Парізі завершили першу частину доведення, а саме що зі спостережуваного в СЦЛП скейлінгу випливає, що, якщо сильну ядерну силу можна описати якою-небудь фундаментальною квантовою теорією поля, сильні взаємодії складових протона повинні обнулюватися на малих масштабах відстані.

Далі Ґросс спробував показати, що така поведінка, а саме обнулення сили взаємодій на малих масштабах відстані, яке він назвав асимптотичною свободою, не властива жодній теорії поля. За допомогою Сідні Коулмана з Гарварду, який у той час відвідував Принстон, Ґросс зумів довести це твердження для всіх притомних квантових теорій поля, крім калібрувальних теорій янг-міллзівського типу.

Тоді Ґросс узяв керівництво новим докторантом, 21-річним Френком Вільчеком, який перейшов до Принстона з Чиказького університету з наміром вивчати математику, проте, прослухавши докторантський курс Ґросса з теорії поля, змінив фах на фізику.

Ґроссу або пощастило, або він був дуже проникливий, оскільки став науковим керівником докторських дисертацій двох найсвітліших голів із-поміж фізиків мого покоління: Вільчека та Едварда Віттена, який стояв на чолі струннотеоретичної революції 1980-1990-х років і є єдиним фізиком в історії, відзначеним престижною Філдсівською премією, найвищою нагородою для математиків. Вільчек, можливо, є одним із кількох справжніх фізиків-поліматів. На початку 1980-х років ми з Френком стали частими напарниками й друзями, і він є не лише одним із найбільш творчих фізиків, з якими мені доводилося працювати, він також володіє енциклопедичними знаннями з цієї сфери. Він прочитав майже всі коли-небудь написані праці з фізики і засвоїв цю інформацію. За ці роки він зробив чимало фундаментальних внесків не лише у фізику елементарних частинок, а й у космологію та фізику матеріалів.

Ґросс доручив Вільчеку асистувати йому в дослідженні останньої лазівки в його попередньому доведенні – визначенні, як змінюється сила взаємодії в янг-міллзівських теоріях у разі переходу до менших масштабів відстані, – і довести, що ці теорії також не здатні проявляти асимптотичну свободу. Вони вирішили безпосередньо та явно обраховувати поведінку взаємодій у цих теоріях на дедалі менших масштабах відстані.

То було неймовірно важке завдання. Відтоді було розроблено інструменти для здійснення таких обчислень, як домашнє завдання в рамках докторантського курсу. Мало того, проводити обчислення завжди легше, коли відомо, якою має бути відповідь, як нам це відомо зараз. Після кількох гарячкових місяців, сповнених фальстартів та численних помилок, у лютому 1973 року вони закінчили обрахунки і, на превеликий подив Ґросса, виявили, що янг-міллзівські теорії все-таки є асимптотично вільними – у цих теоріях сила взаємодії таки прямує до нуля в міру наближення взаємодійних частинок одна до одної. Пізніше у своїй Нобелівській промові Ґросс висловився так: «Для мене відкриття асимптотичної свободи було цілковитою несподіванкою. Наче атеїст, який отримав послання від Неопалимої Купини, я негайно став ревним віруючим».

Сідні Коулман доручив своєму докторантові Девіду Поліцеру виконати аналогічні обрахунки, і його незалежний результат, одержаний приблизно в той же час, узгоджувався з результатами Ґросса й Вільчека. Узгодженість результатів надала обом групам великої впевненості в них.

Янг-міллзівські теорії не просто асимптотично вільні; це єдині теорії поля, яким це властиво. Це навело Ґросса й Вільчека на думку, висловлену у вступі до їхньої основоположної статті, що через цю унікальність і через те, що з огляду на результати експериментів у СЦЛП 1968 року асимптотична свобода, схоже, була необхідним елементом будь-якої теорії сильної взаємодії, можливо, деяка янг-міллзівська теорія могла б пояснити сильну взаємодію.

Залишалося визначити, яка саме янг-міллзівська теорія потрібна для цього, а також чому безмасові калібрувальні частинки, що є фірмовим знаком янг-міллзівських теорій, досі не були виявлені. Також лишалося актуальним ще одне давнє і, мабуть, найважливіше пов’язане з цим питання: «Де кварки?»

Проте перед тим, як перейти до розгляду цих питань, можливо, вас цікавить, чому поведінка янг-міллзівських теорій настільки відрізняється від їхнього простішого брата – квантової електродинаміки, для якої Ландау показав збільшення сили взаємодії між електричними зарядами за умови зменшення масштабів довжини.

Ключ до відповіді дещо неочевидний і захований у природі безмасових калібрувальних частинок у теорії Янга – Міллза. На відміну від фотонів у КЕД, які не мають електричного заряду, глюони, передбачені переносники сильної взаємодії, мають янг-міллзівські заряди, а отже, взаємодіють між собою. Утім, через те, що янг-міллзівські теорії складніші за КЕД, заряди глюонів також складніші за прості електричні заряди електронів. Кожен глюон схожий не лише на заряджену частинку, а й на маленький заряджений магніт.

Якщо піднести маленький магніт до шматка заліза, залізо намагнічується, і ви матимете більш потужний магніт. Щось на кшталт цього відбувається в янг-міллзівських теоріях. Якщо взяти якусь частинку з янг-міллзівським зарядом, скажімо, кварк, тоді кварки й антикварки можуть вигулькувати з вакууму навколо заряду й екранувати його, як це відбувається в електромагнетизмі. Проте глюони також можуть вигулькувати з вакууму, а оскільки вони поводяться, як маленькі магніти, то схильні орієнтуватися вздовж напрямку поля, породженого початковим кварком. Це збільшує силу поля, що, своєю чергою, змушує вигулькувати з вакууму більше глюонів, які додатково посилюють поле, і так далі.

Як наслідок, чим глибше вдається зануритись у хмару віртуальних глюонів, себто чим ближче вдається підібратися до кварка, тим слабшим виглядатиме поле. Кінець кінцем, у міру наближення кварків один до одного їхня взаємодія стає настільки слабкою, що вони починають поводитися так, наче зовсім не взаємодіють, що є характерною ознакою асимптотичної свободи.

Тут я використовував як позначення «глюони» та «кварки», проте відкриття асимптотичної свободи не вказує суто на якусь конкретну янг-міллзівську теорію. Проте Ґросс та Вільчек збагнули, що природним кандидатом була янг-міллзівська теорія, яку Ґрінберґ та інші позиціонували як необхідну для того, щоб кваркова гіпотеза Гелл-Манна могла пояснити спостережувану природу елементарних частинок. У цій теорії кожен кварк переносить один із трьох різних типів зарядів, що позначаються за браку кращих варіантів кольорами, скажімо, червоним, зеленим чи синім. З огляду на цю номенклатуру Гелл-Манн придумав для своєї янг-міллзівської теорії спеціальну назву – «квантова хромодинаміка (КХД)», себто квантова теорія кольорових зарядів, за аналогією з квантовою електродинамікою, себто квантовою теорією електричних зарядів.

Виходячи зі спостережних аргументів на користь такої пов’язаної з кварками симетрії, Ґросс та Вільчек постулювали, що квантова хромодинаміка є неомильною калібрувальною теорією сильної взаємодії кварків.