Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Если смотреть глубже, эксперименты вскоре похоронили надежду – надежду нашего Вопроса – на то, что протоны и нейтроны являются простыми частицами и что какая-нибудь красивая «сила», в традиционном понимании этого слова, могла бы объяснить то, что на самом деле происходит при их взаимодействии. Потому что, когда протоны сталкивались с другими протонами, результатом обычно являлось не просто отклонение двух сталкивающихся частиц. Вместо этого появлялся целый поток частиц!

В сущности, эксперименты, направленные на открытие простой силы, вместо этого обнаружили новый и неожиданный мир частиц. Мезоны p, ρ, K, η, ρ, ω, K*, ϕ и барионы Λ, ∑, Ξ, ∆, Ω, ∑*, Ξ*, Ω являются самыми легкими и самыми доступными из них. (Существуют десятки других.) Эти частицы, все без исключения, очень нестабильны и живут не больше микросекунды (а в большинстве случаев гораздо меньше). Выводы об их существовании и свойствах должны быть сделаны на основе изучения продуктов их распада в детекторах на ускорителях высоких энергий, таких как ускорители в Брукхейвенской национальной лаборатории, в Фермилабе и в CERN. Эти новые частицы все вместе называются адронами.

Так же как классификация бабочек или палеонтологическая история лошадей, состав адронного «зверинца» и характеристики его обитателей – массы, спины, времена жизни, варианты распадов – завораживают истинных ценителей. Однако, чтобы продвинуться в нашем поиске красоты к основам, мы должны перейти к более общим вопросам. Для дальнейшего использования позвольте мне кратко резюмировать два наиболее важных урока, которые можно извлечь из этого «зверинца».

Адроны состоят из двух царств – барионов и мезонов[71]. Протоны и нейтроны являются прототипом барионов. Все барионы обладают несколькими общими свойствами. Все они испытывают на малых дистанциях сильное взаимодействие в присутствии друг друга либо в присутствии мезонов, и (для экспертов) все они являются фермионами. Мезоны также обладают общими свойствами. Все они испытывают на малых дистанциях сильное взаимодействие в присутствии друг друга либо в присутствии барионов, и (для экспертов) все они являются бозонами.

Протоны и нейтроны не являются ни простыми, ни фундаментальными. Представить себе атомное ядро состоящим из протонов и нейтронов было полезным шагом, но эти частицы не являются простыми или фундаментальными – их взаимодействия сложны, и они являются лишь двумя членами гораздо более широкого семейства похожих частиц. Чтобы посмотреть на них с правильной перспективы и завершить анализ материи, нужен новый и более широкий взгляд.

Кварковая модель

Кварковая модель была придумана Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом и стала блестящей демонстрацией силы воображения и распознавания образов.

Согласно кварковой модели, барионы – это связанные состояния трех более фундаментальных сущностей – трех видов, или «ароматов», кварков: верхнего u, нижнего d и странного s. (Пока этого достаточно, и я отложу рассмотрение гораздо более тяжелых, крайне нестабильных кварков c, b, t на потом.)

Но как всего три аромата кварков – u, d, s – порождают сотни различных барионов? Дело в том, что некая заданная тройка кварков, скажем, u, u, d, может существовать во многих различных состояниях движения, аналогичных дискретным боровским орбитам электронов в атомах или стационарным состояниям на илл. 26 в главе «Квантовая красота I». Эти дискретно различные состояния имеют различные энергии и, следовательно, – если применить формулу m = E/c² – разные массы. Поэтому, с точки зрения экспериментатора, они кажутся разными частицами! Таким образом, мы обнаруживаем, что множество разных частиц отражает одну и ту же материальную структуру, лежащую в их основе и зафиксированную в различных состояниях внутреннего движения.

Сходным образом кварковая модель постулирует, что мезоны – это связанные состояния одного кварка и одного антикварка. Каждая пара кварк-антикварк, скажем, в различных состояниях движения образует множество различных мезонов.

Кварковая модель также дает правдоподобное объяснение сложности адронных сил. Даже если отдельные кварки взаимодействуют просто, но, когда связанные состояния из трех кварков или из кварка и антикварка встречаются друг с другом, существует большой простор для наводок и взаимоподавления. Примерно по тем же причинам обычная химия, основанная на взаимодействиях атомов, оказывается сложной и разнообразной, хотя силы между отдельными электронами, на которых она основана, чрезвычайно просты.

Кварковая модель была главным шагом в упорядочении адронного «зоопарка». Она предоставляет описание адронов, подобное по его объяснительной силе боровской модели атома. Но кварковая модель, как и модель Бора, имеет ограничения. Хотя она правильна по своему духу и исторически важна, кварковая модель является логически неполной и только полуматематической. Кроме того, она столкнулась с большой проблемой, что мы сейчас и обсудим.

Кварковая модель дала успешное описательное объяснение многих свойств протонов, нейтронов и родственных им адронов. Но она постулировала некоторые очень странные свойства для кварков. Возможно, самым странным из таких свойств является конфайнмент, шутливо изображенный на карикатуре на вклейке MM – она взята из плаката, который ознаменовал мою Нобелевскую премию. Предполагается, что кварки являются строительными блоками протонов, но, несмотря на очень большие усилия, свободные частицы со свойствами кварка (такими как дробный заряд, равный 2⁄3 или −1⁄3 электрического заряда протона) никогда не наблюдались. Таким образом, кварки в группах по три штуки могут образовывать протоны, в которых силы между ними оказываются умеренными. Но по каким-то причинам они не могут высвободиться – кварки удерживаются вместе, находясь в состоянии конфайнмента.

Чтобы учесть это поведение, нам, похоже, нужны связи между кварками, похожие на пружину или резинку, которые тянут кварк тем сильнее, чем больше растягивается связывающая пружина или резинка при увеличении расстояния. Пружины и резинки, конечно, сами по себе являются сложными физическими объектами, поэтому недопустимо предполагать их наличие в фундаментальной теории. И если мы все же так делаем, возникает вопрос: из чего сделана эта пружина?

Физики привыкли, что фундаментальные силы становятся слабее с расстоянием, как это происходит с гравитационными и электромагнитными силами, и поэтому конфайнмент оказался большой проблемой. Многие физики так не смогли заставить себя отнестись к кваркам серьезно именно из-за этого.

Прорыв: квантовая хромодинамика

Уравнения Максвелла для электродинамики, уравнения Ньютона (и затем Эйнштейна) для гравитации и уравнения Шрёдингера (и затем Дирака) для атомной физики установили высокие стандарты красоты, ясности и точности. Ни сложные уравнения (а в сущности – таблицы), описывающие ядерные силы, ни общие идеи кварковой модели даже близко не подошли к этим стандартам.

И все же красивые, ясные, точные уравнения для сильного взаимодействия существовали. Они пролежали без дела много лет, прежде чем мы смогли их использовать. Это уравнения, которые основываются на уравнениях Максвелла и воплощают те представления, которые мы набросали в первой части этой главы.

Почти 20 лет прошло между формулировкой этих уравнений Янгом и Миллсом и появлением квантовой хромодинамики как их воплощения в реальности. Эта история – ошеломляющий пример соотношения

В сфере сильного взаимодействия не может быть сомнений, что ответ на наш Вопрос

Воплощает ли мир красивые идеи?

прост:

Да, воплощает.

«Максвелл на стероидах»

Квантовая хромодинамика (КХД) использует идеи и уравнения, которые являются грандиозным обобщением уравнений Максвелла для электромагнетизма, расширенным, чтобы включить еще больше симметрии. Мне нравится говорить, что КХД (QCD) выглядит как квантовая электродинамика (КЭД, QED) на стероидах.

В КЭД есть один вид заряда – электрический заряд. Он может быть положительным, как у протонов, или отрицательным, как у электронов, но в любом случае мы определяем его количество при помощи всего одного числа (положительного или отрицательного). А вот КХД содержит целых три вида заряда. Они без какого-либо серьезного основания были названы цветами; для определенности будем называть их красным, зеленым и синим.