Наука. Величайшие теории: выпуск 6: Когда фотон встречает электрон. Фейнман. Квантовая электродинамика - Мигуэль Сабадел

По мнению физика Лоуренса Краусса, статья, которая из этого вышла, «была хаосом стилей, но, без тени сомнения, важной работой». Она взяла лучшее от каждого: формализм Фейнмана при описании нейтрино и наблюдения Гелл-Мана относительно симметрий и величин, сохраненных в слабых токах. Бедный Сударшан: никто не знал, что отчасти и он приложил руку к созданию теории V-A. Два гения Калтеха охотно признавали свой разговор с Маршаком и Сударшаном; они также не отрицали, что взяли их идею. Но все-таки единственная статья, цитируемая впоследствии как классический эталон в данной области, принадлежала Гелл-Ману и Фейнману.

Однако речь шла не о полной теории. Полноценного сотрудничества в данном случае не получилось, можно было говорить лишь о браке по расчету, не продлившемся долго. Каждый из этих ученых следовал своим путем: Фейнман посвятил себя другим вопросам, очень удаленным от физики частиц, тогда как Гелл-Ман занимался работой, впоследствии ставшей его большим вкладом в науку и вознагражденной Нобелевской премией. В будущем Фейнман снова обратится к этой области физики, стремясь убедить своих коллег, что великое открытие Гелл-Мана — кварки — действительно существует.

Внутрь протона

Достаточно часто случается, что математика приходит на помощь другим наукам. В течение XIX века был создан и разработан раздел общей алгебры, посвященный классификации симметрий, собранных в группы: его называют теорией групп. Она определяет группу симметрий как совокупность всех изменений некоторой категории, результатом которых является неизменная величина. То, что с самого начала было лишь невероятно абстрактной теорией без какого-либо практического применения, в XX веке стало фундаментальным инструментом, необходимым для физики микромира.

В 1962 году Марри Гелл-Ман обнаружил (параллельно с Джорджем Цвейгом из Европейской организации по ядерным исследованиям в Женеве), что хаос частиц мог образоваться согласно совокупности критериев, которую он окрестил «восьмеричный путь» — термин, заимствованный им из буддийской философии. Его теория предсказывала существование новой частицы Ω (омега минус). Она была открыта в следующем году, сначала в Брукхейвенской национальной лаборатории, а затем в ЦЕРН. Гелл- Ман и одновременно с ним Юваль Неэман изучали сильное взаимодействие, благодаря которому протоны и нейтроны остаются вместе внутри атомного ядра. Они оба открыли симметрию, очень пригодившуюся при описании сильного взаимодействия: группу Ли, названную в честь норвежского математика Софуса Ли. А более конкретно — группу унитарной симметрии SU(3). Из этого открытия следовало существование более мелких частиц, входящих в состав протонов и нейтронов. Гелл-Ман дал им название кварки (рисунок 1). Согласно его теории, тяжелые частицы, такие как протоны, нейтроны или мезоны, состоят из этих мелких частиц, которые, что удивительно, имеют дробные электрические заряды, равные 1/3 или 2/3 от заряда электрона (он фундаментален сам по себе и не содержит никаких частиц). Другая неожиданность заключалась в том, что совокупность всех тяжелых частиц могла объясняться существованием трех семей, содержащих по два кварка каждая: up (верхний) и down (нижний), strange (странный) и charm (очарованный), top (истинный) и botton (прелестный). Вместе с тем эта классификация позволяла предсказать существование других частиц, подобных Ω , которые еще не были открыты и открытие которых могло доказать верность данной гипотезы.

РИС. 1

Внутренняя структура протона согласно модели кварков Гелл-Мана (и: верхний кварк; d: нижний кварк).

Тем не менее Гелл-Ман не был полностью убежден (или, по крайней мере, он не показывал этого на публике) в том факте, что его восьмеричный путь может быть чем-то большим, чем математическая хитрость для классификации частиц:

Одна из величайших загадок физики частиц состоит в том, почему субатомные частицы имеют ту массу, которая у них есть. В 1960-х годах британский физик Питер Хиггс (родился в 1929 году) предлагает изящное решение данной проблемы. Во Вселенной существует поле, которое занимает все пространство, и когда частицы взаимодействуют с ним, они приобретают то, что кажется их массой. Для лучшего понимания физики обычно прибегают к следующей аналогии. Представим, что мы на голливудском приеме, и вдруг там появляется звезда первой величины. Те, кто находится около самой двери, подходят к ней, чтобы начать разговор, и собираются вокруг нее. По мере того как знаменитость перемещается по залу, стоящие вблизи приглашенные привлечены ею и подходят к ней; но когда звезда удаляется, они возвращаются к своим прерванным разговорам. Как следствие, на этом приеме молодой диве Голливуда труднее передвигаться по залу, чем если бы она была одна. К тому же ей тяжело снова начать передвижение после того, как она остановилась, чтобы ответить на вопросы. Все приглашенные ищут ее внимания. Этот эффект скопления людей вокруг кинозвезды соответствует механизму Хиггса.

Британский физик Питер Хиггс в 2009 году.

Важно отметить, что описанное выше соответствует, ни больше, ни меньше, функционированию того, что мы называем «масса». Речь идет не о весе тела, а о мере его инерции, массе. Именно таким образом мы воспринимаем это поле Хиггса, которое заполняет Вселенную и в котором находятся все частицы: частица, которая в нем перемещается, создает легкое искажение (приглашенные окружают диву при ее появлении), что сообщает ей массу. Элементарной частицей этого поля является так называемый «бозон Хиггса». В женевском ЦЕРНе, как и в чикагской Фермилаб, физики искали эту частицу в течение нескольких десятилетий, вплоть до 4 июля 2012 года, когда ЦЕРН объявил об открытии новой частицы, «соответствующей бозону Хиггса».

«Забавно размышлять о манере поведения кварков, если речь идет о физических частицах с определенной массой». Одним из главных возражений было то, что ни одна частица с массой меньше массы электрона не была открыта до сих пор. Таким образом, дискуссия вокруг этой темы оставалась актуальной.

В 1968 году Фейнман возвращается к физике частиц. Опыты, проведенные в адронных коллайдерах (адроны — термин, употребляемый для обозначения всех частиц, состоящих из кварков), приводят его к формулированию новой теории, согласно которой каждый адрон состоит из других более мелких частиц, названных им партонами. Фейнман осознанно отказался от дискуссии о том, существуют кварки на самом деле или они являются математической абстракцией. Он заявлял, что врач запретил ему дискуссировать о метафизике.

В этом же году в линейном ускорителе Стэнфорда высокоэнергичными электронами облучали протоны. Этот опыт напоминал тот, при помощи которого Резерфорд в 1911 году определил структуру атома. Целью эксперимента, проводимого в Стэнфорде, было установить, что протон не является единым и неделимым, но из чего-то состоит. Фейнман ездил в Стэнфорд в августе и октябре, и ему удалось убедить своих коллег, что его теория о партонах делает изучение структуры протона более легким.

В действительности кварки Гелл-Мана и партоны Фейнмана были дорогами, которые вели в одно место, и эти составляющие материи позволяли разработать теорию сильного взаимодействия. Однако никто не отдавал себе в этом отчета, несмотря на то что опыты, подобные стэнфордским, давали основание так думать. Поэтому Фейнман вместе с двумя студентами в 1970 году пустился в авантюру, намереваясь проверить всю систему элементарных частиц, чтобы выяснить, могут ли предположительно существующие кварки лежать в ее основе. Убедившись в этом, он превратился, по своим же словам, в «кваркователя».

Гелл-Ман не упускал случая посмеяться над партонами, называя их put-ons (можно перевести как «фальшивки», «глупые шутки»). Он ненавидел само название данных частиц, связанное с английским словом part, то есть «часть». И если во время какого-либо семинара кто-то упоминал модель партонов Фейнмана, то Гелл-Ман тут же вскакивал и спрашивал, что это за модель. Он считал, что Фейнман крайне упростил его модель кварков. Гелл-Ман не видел, как Фейнман смог бы прийти к своим партонам способом, отличным от того, который использовал он сам: чтобы создать свои кварки, Гелл-Ман основывался на математическом понятии симметрии и на своей концепции мира. Фейнман же следовал своей собственной методологии, той, которую он использовал каждый раз, когда формулировал какую-либо теорию: в данном случае он смотрел, соответствовала ли предполагаемая структура адронов результатам производимых наблюдений.

Звездный час для модели кварков наступил в 1974 году. Был понедельник, 11 ноября: взволнованный Ричард Фейнман вел эмоциональную беседу со своим коллегой Харальдом Фричем в кулуарах департамента теоретической физики Калтеха. А в 800 километрах севернее, в линейном ускорителе Стэнфорда (SLAC), только что открыли частицу, вероятно являющуюся одним из кварков Гелл-Манна, — очарованный кварк.