Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

на екзотичний феномен скейлінгу, який спостерігається у високоенергетичних зіткненнях електронів із протонами й нейтронами та вперше був зафіксований у СЦЛП. Ідеальний скейлінг вимагатиме абсолютно невзаємодійних частинок. Поправки, які можна обрахувати у квантовій хромодинаміці, можна буде спостерігати лише в значно чутливіших експериментах, аніж уперше проведені в СЦЛП. Для їх дослідження знадобилося розробити нові, більш високоенергетичні прискорювачі. Упродовж приблизно тридцяти років вдалося зібрати достатньо свідчень, щоб теоретичні передбачення зійшлися з результатами експериментів із точністю до 1 %, а квантову хромодинаміку як теорію сильної взаємодії вдалося все-таки точно й детально верифікувати.

2004 року Ґросс, Вільчек та Поліцер урешті-решт одержали Нобелівську премію за відкриття асимптотичної свободи. Експериментатори, які вперше відкрили скейлінг у СЦЛП, що стало ключовим спостереженням, яке спрямувало теоретиків у правильному напрямку, удостоїлися цієї нагороди значно раніше, 1990 року. А експериментатори, які 1974 року відкрили чарівний кварк, отримали Нобелівську премію вже через два роки, у 1976-му.

Проте, як казав Річард Фейнман, найвищою нагородою є не відзнака медаллю чи грошовою премією, і навіть не визнання з боку колег чи широкої публіки, а дізнання чогось по-справжньому нового про природу.

* * *

У цьому сенсі 1970-ті роки були, мабуть, найбагатшим десятиліттям в історії фізики ХХ століття, якщо не в усій історії фізики загалом. 1970 року ми повністю як квантову теорію розуміли лише одну силу природи, а саме квантову електродинаміку. До 1979 року ми розробили та експериментально перевірили, можливо, найвидатнішу теоретичну доктрину, створену людським розумом, – Стандартну модель фізики елементарних частинок, що описує рівно три з чотирьох відомих сил природи. Ця робота тривала впродовж усієї історії сучасної науки, від дослідження природи рухомих тіл Галілеєм, через відкриття Ньютоном законів руху, через експериментальні й теоретичні дослідження природи електромагнетизму, через Ейнштейнове об’єднання простору й часу, через відкриття ядра, квантової механіки, протонів, нейтронів та відкриття власне слабкої та сильної сил.

Проте найвизначнішою характеристикою цього довгого походу до світла є те, наскільки сильно відрізняється фундаментальна природа реальності від тіней реальності, з якими ми стикаємося щодня, зокрема в плані того, що фундаментальні величини, які позірно визначають наше з вами існування, насправді аж ніяк не фундаментальні.

Серцевину спостережуваної матерії становлять частинки, які ніхто ніколи безпосередньо не спостерігав і, якщо ми не помиляємося, ніхто ніколи безпосередньо не спостерігатиме, – кварки та глюони. Властивості сил, що визначають взаємодії цих частинок, а також частинок, які впродовж більш ніж століття формували основу сучасної експериментальної фізики, себто електронів, на фундаментальному рівні також повністю відрізняються від властивостей, які ми спостерігаємо безпосередньо й від яких залежить наше існування. Сильна взаємодія між протонами й нейтронами є всього-на-всього далекосяжною решткою базисної сили взаємодії між кварками, чиї фундаментальні властивості маскуються складними взаємодіями всередині ядра. Слабка взаємодія й електромагнітна взаємодія, які зовні відрізняються настільки, наскільки це взагалі можливо (перша близькодійна, а друга далекосяжна, і перша видається в тисячі разів слабшою за другу), насправді тісно пов’язані між собою та відображають різні грані єдиного цілого.

Це ціле приховане від нас через випадковість природи, яку ми називаємо спонтанним порушенням симетрії, яке розмежовує слабку та електромагнітну взаємодію у світі наших чуттів і приховує їхню справжню природу. Ба більше, властивості частинок, що породжують характеристики чудового світу, який ми спостерігаємо навколо нас, можливі лише тому, що після випадковості в разі спонтанного порушення симетрії в природі залишилася б тільки одна безмасова частинка – фотон. Якби порушення симетрії не сталося й базисні симетрії сил, які визначають поведінку матерії, не проявили себе, що, своєю чергою, означало б, що частинки, які переносять слабку силу, як і більшість частинок, з яких складаємося ми з вами, були б безмасовими, не сформувалося б, по суті, нічого з того, що ми нині бачимо у всесвіті: від галактик до зірок, планет, людей, пташок і бджіл, науковців і політиків.

Мало того, ми дізналися, що навіть ці частинки, з яких складаємося ми, це ще не все, що існує в природі. Спостережувані частинки об’єднуються в прості угруповання, або сімейства. Верхні й нижні кварки утворюють протони й нейтрони. Біля них перебувають електрон зі своїм напарником – електронним нейтрино. Також із досі незрозумілих нам причин існує важче сімейство, яке складається, з одного боку, з чарівного та дивного кварків, а з другого, – з мюона і його нейтрино. Нарешті, що підтверджено проведеними в останні два десятиліття експериментами, є третє сімейство, яке складається з двох нових типів кварків, красивого (b-) і правдивого (t-), та супутнього важкого різновиду електрона під назвою «тау-частинка» разом із його нейтрино.

Є всі підстави очікувати, що, як буде описано невдовзі, існують й інші елементарні частинки, окрім перерахованих, які ще ніхто ніколи не спостерігав. Тоді як ці частинки, котрі, як вважають, становлять загадкову темну матерію, на яку припадає левова частка маси нашої та всіх інших спостережуваних галактик, можуть бути невидимі для наших телескопів. Утім, наші спостереження й теорії свідчать про те, що за відсутності темної матерії галактики й зорі ніколи не сформувалися б.

А в центрі всіх сил, що визначають динамічну поведінку всього, що ми можемо спостерігати, лежить чудовий математичний каркас, який має назву «калібрувальна симетрія». Ця математична властивість притаманна всім відомим силам: сильній, слабкій, електромагнітній, і навіть гравітації, й у випадку перших трьох саме ця властивість гарантує, що відповідні теорії мають математичний сенс і що з обрахунків усіх величин, які можна порівняти з результатами експериментів, зникають огидні квантові нескінченності.

За винятком електромагнетизму, усі ці симетрії повністю сховані від людських очей. Калібрувальна симетрія сильної взаємодії прихована, оскільки фундаментальні частинки, які є проявом цієї симетрії, імовірно, приховуються конфайнментом. Калібрувальна симетрія слабкої сили не проявляє себе у світі, у якому ми живемо, через спонтанне порушення, унаслідок чого W– та Z-частинки стають надзвичайно масивними.

* * *

Тіні на стіні повсякдення – насправді лише тіні. У цьому сенсі найвидатніша з коли-небудь розказаних оповідей, яка триває й досі, повільно розгорталася впродовж уже більш ніж двох тисяч років відтоді, як Платон уперше уявив її собі у своїй аналогії печери.

Проте якою б видатною не була ця оповідь, два слони досі лишалися непоміченими.