Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

1971 г. Шелдон Глэшоу, Джон Илиопулус (р. 1940) и Лучано Майани (р. 1941) добавляют кварки к анаморфной электрослабой теории и предсказывают существование с-кварков (очарованных кварков).

1973 г. Дэвид Гросс (р. 1941), Фрэнк Вильчек (р. 1951) и Дэвид Политцер (р. 1949) выдвигают теории асимптотической свободы. Гросс и Вильчек формулируют точную теорию сильного взаимодействия – квантовую хромодинамику (КХД).

1974 г. Экспериментальное открытие мезонов с тяжелыми кварками обеспечивает полуколичественное доказательство асимптотической свободы и КХД.

1974 г. Йогеш Пати (р. 1937) и Абдус Салам, а также Говард Джорджи (р. 1947) и Шелдон Глэшоу предлагают унификацию главных теорий.

1974 г. Говард Джорджи, Хелен Квинн (р. 1943) и Стивен Вайнберг исследуют относительную интенсивность различных взаимодействий, используя асимптотическую свободу.

1974 г. Юлиус Весс (1934–2007) и Бруно Дзумино (1923–2014) формулируют суперсимметрию.

1977 г. Роберто Печчеи (р. 1942) и Хелен Квинн предлагают новую симметрию, чтобы решить «θ-проблему».

1977 г. Вильчек открывает возможность связывания бозона Хиггса с обычной материей через цветные глюоны.

1978 г. Вильчек и Вайнберг указывают, что симметрия Печчеи – Квинн предполагает существование важной новой легкой частицы – аксиона.

1981 г. Савас Димопулос (р. 1952), Стюарт Раби (р. 1947) и Фрэнк Вильчек демонстрируют количественные преимущества включения суперсимметрии в объединение взаимодействий.

1983 г. Несколько авторов предлагают аксионы на роль частиц, из которых, возможно, состоит темная материя.

1983 г. Карло Руббиа (р. 1934) и его коллеги в CERN[87] экспериментально наблюдают виконы (W– и Z-бозоны), подтверждая анаморфную теорию электрослабых сил.

1990-е гг. Эксперименты на Большом электрон-позитронном коллайдере LEP ясно демонстрируют струи, обеспечивая мощное количественное подтверждение асимптотической свободы и КХД.

2005 г. На базе идей Кеннета Уилсона (1936–2013), Александра Полякова (р. 1945) и Майкла Кройца (р. 1944) с помощью сверхмощных компьютеров проводятся расчетные эксперименты для подтверждения КХД: теоретически вычисляются массы различных адронов, в том числе протона и нейтрона, очень близкие к определенным экспериментально.

2012 г. На Большом адронном коллайдере открыта частица Хиггса.

2020 г. Мои пари на открытие суперсимметрии на Большом адронном коллайдере истекают в полночь 31 декабря 2020 г.

Термины

[88]

Этот раздел содержит определения и короткие комментарии к научным понятиям, которые могут быть не знакомы широкому кругу читателей и использованы в этой книге. В некоторых случаях (например, «энергия» или «симметрия») они объясняют общеупотребительные слова, которые мы используем особым образом – обычно в более узком и специальном значении, чем в их повседневном применении. Я старался, насколько было возможно, сделать его органичной частью единого целого, используя в комментариях темы и примеры из основного текста. Здесь вы также найдете несколько идей, некоторые из которых красивы – их мне очень хотелось включить в текст, но не удалось сделать это, сохранив гладкость повествования. Во многих случаях мне пришлось пожертвовать точностью и математической строгостью ради краткости и доступности.

Замечание по оформлению текста: курсив используется для обозначения заглавного слова или словосочетания каждой статьи, чтобы отметить основные места, где оно встречается в статье, а иногда для постановки смыслового ударения. Жирный шрифт указывает на существенное использование терминов, про которые есть отдельные статьи.

Будучи подверженными сильному взаимодействию, кварки, антикварки и глюоны могут связываться и образовывать большое количество разнообразных небольших объектов. Адрон – это общий термин для объектов такого типа. Протоны и нейтроны являются примерами адронов, так же как и атомные ядра. Все остальные известные адроны крайне нестабильны, их время жизни варьируется от нескольких наносекунд (миллиардная доля секунды, или 10–9 секунд) до гораздо меньших времен.

Большую часть адронов можно полуколичественно понять в рамках кварковой модели. (См., если нужно, Качественный и количественный.) Согласно кварковой модели, адроны делятся на два обширных класса: барионы и мезоны. Барионы (класс, включающий протоны и нейтроны) – это связанные состояния, содержащие три кварка, в то время как мезоны – это связанные состояния, содержащие один кварк и один антикварк. (Также существуют антибарионы, состоящие из трех антикварков. См. Антивещество.) В более точном представлении, основанном на квантовой хромодинамике (КХД), эти две основные схемы должны считаться каркасом, который дополнен глюонами и дополнительными кварк-антикварковыми парами.

Широко распространено мнение о том, что существуют адроны, которые выходят за рамки обеих схем кварковой модели, такие как «глюболы»[89], где глюоны преобладают над кварками и антикварками. Эта идея является предметом исследований в настоящее время.

(См. также статью Квантовая хромодинамика (КХД) и подробное обсуждение в главе «Квантовая красота III», часть 2.)

На начальном этапе экспериментального изучения радиоактивности Эрнест Резерфорд разделил излучаемый материал на альфа-, бета– и гамма-лучи. Они различались по способности проникать в вещество, по восприимчивости к отклонению магнитным полем и по другим свойствам. Дальнейшие исследования показали, что альфа-лучи состоят из ядер атома гелия-4, т. е. являются связанными комбинациями двух протонов и двух нейтронов. Мы называем эти ядра альфа-частицами.

См. Четность, где это понятие появляется в естественном для него контексте.

Аксиальные токи – специальный класс токов, которые не меняют знак при пространственной инверсии (преобразовании четности). Таким образом, аксиальные токи определяют поля аксиальных векторов. Я упомянул это довольно хитрое понятие, когда искал убедительный для редакторов журнала Physical Review Letters повод для введения термина «аксион».

Аксион – это гипотетическая частица, чье существование сделало бы Главную теорию еще красивее. В настоящее время аксионы также являются превосходными кандидатами на космологическую темную материю.

Главная теория имеет множество достоинств, но также обладает некоторыми эстетическими недостатками. Среди последних есть следующий.

Мы экспериментально наблюдаем, что законы физики в очень хорошем приближении (но не полностью) инвариантны относительно изменения направления времени. Проще говоря, если взять видеозапись любого физического эксперимента и просмотреть ее задом наперед, то запись все равно будет показывать события, которые подчиняются фундаментальным законам физики. Конечно, если вы возьмете видеозапись из повседневной жизни и развернете ее задом наперед, то, что вы увидите, не будет похоже на повседневную жизнь. Но в субатомном мире, где самые фундаментальные законы действуют очевиднее всего, это различие пропадает. Поэтому мы говорим, что законы физики практически полностью инвариантны относительно обращения времени вспять или, по-другому, что они обладают симметрией относительно обращения времени (Т-симметрией).

Свойство законов обладать Т-симметрией согласуется с Главной теорией, но вообще-то последняя этого не требует. Существует такое взаимодействие между цветными глюонами, которое согласуется со всеми известными общими принципами, включая квантовую теорию, теорию относительности и локальную симметрию, а следовательно, согласно Главной теории, оно «возможно» – но его существование нарушало бы T-симметрию.

Просто заявить, что в действительности такого взаимодействия не происходит, было бы последовательно, но неубедительно. Более уместным представляется ответ, который впервые предложили Роберто Печчеи и Хелен Квинн – они объяснили это «совпадение», расширив Главную теорию таким образом, чтобы она включала дополнительную симметрию. Если сделать это подходящим образом, то можно объяснить малость нарушения Т-четности. (Выдвигались и другие возможные объяснения, но ни одно из них не прошло испытание временем.) Это расширение Главной теории не остается без последствий: как заметили мы со Стивеном Вайнбергом, из него следует существование новой, очень легкой частицы с замечательными свойствами – аксиона.