Розділ без назви (27)

Марноту говорять один до одного, їхні уста облесні, і серцем подвійним говорять…

Псалми 11:3

Завдяки післязнанню помилки минулого можуть здаватися очевидними, проте не забуваймо, що предмети в дзеркалі зад­нього огляду нерідко ближчі, аніж здається. Легко критикувати наших попередників за те, що вони впустили, утім, те, що ставить нас у глухий кут сьогодні, може бути очевидним для наших нащадків. Працюючи на передньому краї, ми ходимо шляхом, часто вкритим імлою.

Аналогія з надпровідністю, уперше досліджена Намбу, корисна, проте значною мірою з причин, відмінних від тих, які свого часу уявляли собі Намбу та інші. Заднім числом відповідь може здатися майже самоочевидною, точно так само, як маленькі натяки на справжнього вбивцю у творах Агати Крісті стають очевидними після його викриття. Проте, як і герої її детективів, ми також натрапляємо на купу помилкових слідів, і ці глухі кути роблять підсумкове рішення ще більш несподіваним.

Є всі підстави співпереживати тогочасним спантеличеним фізикам елементарних частинок. Запускали нові прискорювачі, і щоразу, як був досягнутий новий поріг енергії зіткнення, породжувалися нові сильно взаємодійні брати нейтронів і протонів. Цей процес видавався нескінченним. Від такого багатства розбігалися очі, і як теоретики, так і експериментатори були вмотивовані зосередитися на таємниці сильної ядерної сили, яка, здавалося, кидала найсерйозніший виклик наявній теорії.

Здавалося, що для мікроскопічного світу характерна потенційно нескінченна кількість елементарних частинок із дедалі більшими масами. Проте це суперечило всім ідеям квантової теорії поля — вдалої моделі, яка надала чудове розуміння релятивістської квантової поведінки електронів і фотонів.

Розробку популярної й впливової програми з розв’язання цієї проблеми очолював фізик із Берклі Джефрі Чю. Чю відмовився від ідеї існування якихось дійсно фундаментальних частинок, а також від будь-яких мікроскопічних квантових теорій, що включали точкоподібні частинки й пов’язані з ними квантові поля. Натомість він виходив із того, що всі спостережувані сильно взаємодійні частинки були не точкоподібними, а комплексними, зв’язаними станами інших частинок. Це означало, що ніякої редукції до первинних фундаментальних об’єктів бути не може. У цій дзеноподібній картині, яка настільки личила Берклі зразка 1960-х років, усі частинки вважали складеними з інших частинок — так звана бутстрап-модель, у якій жодні елементарні частинки не вважали первинними чи особливими. Саме тому цей підхід також дістав назву ядерної демократії.

І хоча він полонив багатьох фізиків, які розчарувались у квантовій теорії поля як інструменті для опису будь-яких взаємодій окрім найпростіших, між електронами й фотонами, жменька науковців була достатньо вражена успіхом квантової електродинаміки, щоби спробувати зімітувати її в теорії сильної ядерної сили — яка згодом стала відома як сильна взаємодія — за образом і подобою підходу, який обстоювали Янг і Міллз.

Один із цих фізиків, Д. Д. Сакураї, опублікував 1960 року статтю з вельми амбітною назвою «Теорія сильних взаємодій». Сакураї серйозно сприйняв пропозицію Янга й Міллза та спробував точно визначити, які фотоноподібні частинки можуть переносити сильну силу між протонами, нейтронами й іншими нововідкритими частинками. Оскільки сильна взаємодія була близькодійною, охоплюючи в найкращому випадку лише розмір ядра, здавалося, що частинки, необхідні для перенесення цієї сили, мають бути масивними, що суперечило будь-якій строгій калібрувальній симетрії. Проте, за винятком цього, вони повинні мати багато властивостей, аналогічних властивостям фотонів, і мати спін 1, або так званий векторний спін. З огляду на це нові передбачені частинки були названі масивними векторними мезонами. Вони мали зв’язуватися з різноманітними потоками сильно взаємодійних частинок аналогічно тому, як фотони зв’язуються з потоками електрично заряджених частинок.

Частинки із загальними властивостями передбачених Сакураї векторних мезонів були експериментально відкриті впродовж наступних двох років, тож ідея, що вони якимось чином можуть розкрити секрет сильної взаємодії, була використана для розплутування складних взаємодій між нуклеонами та іншими частинками.

Відреагувавши на думку, що за сильною взаємодією може стояти деякий різновид янг-міллзівської симетрії, Маррі Гелл-Манн розробив вишукану схему симетрії, яку в дзеноподібній манері охрестив Восьмеричним Шляхом. Вона не лише давала можливість класифікувати вісім різних векторних мезонів, а ще й передбачала існування досі не спостережуваних сильно взаємодійних частинок. Ідея, що ці свіжозапропоновані симетрії природи можуть допомогти навести лад у тому, що здавалося безнадійно хаотичним звіринцем елементарних частинок, була настільки захоплива, що, коли пізніше відкрили частинку, яку передбачив Гелл-Манн, йому було присуджено Нобелівську премію.

Проте найчастіше Гелл-Манна згадують як автора більш фундаментальної ідеї. Він і незалежно від нього Джордж Цвейґ увели поняття того, що Гелл-Манн назвав кварками (це слово він запозичив із роману Джеймса Джойса «Поминки за Фіннеганом»), які мали фізично допомогти пояснити властивості симетрії його Восьмеричного Шляху. Якщо уявити, що множина кварків, які Гелл-Манн розглядав просто як зручний математичний звітний інструмент (так само як до того Фарадей розглядав електричне й магнітне поля, ним же й запропоновані), включає в себе всі сильно взаємодійні частинки на кшталт протонів і нейтронів, можна передбачити симетрію й властивості всіх відомих частинок. У повітрі знову запахло великим синтезом, який об’єднує розмаїті частинки й сили в єдине когерентне ціле.

Складно переоцінити важливість кваркової гіпотези. Хоча Гелл-Манн не стверджував, що його кварки є реальними фізичними частинками всередині протонів і нейтронів, його категоризаційна схема означала, що саме міркування симетрії можуть кінець кінцем визначати природу не лише сильної взає­модії, а й усіх фундаментальних частинок у природі.

Утім, хоча один різновид симетрії міг визначати структуру матерії, можливість доповнити цю симетрію до якогось різновиду янг-міллзівської калібрувальної симетрії, що визначала б сили взаємодії між частинками, більш досяжною не виглядала. Докучлива проблема спостережуваних мас векторних мезонів полягала в тому, що вони не могли правдиво відображати будь-яку базисну калібрувальну симетрію сильної взаємодії таким чином, який міг би однозначно визначити її форму та потенційно гарантувати, що вона матиме квантовомеханічний сенс. Будь-яке янг-міллзівське доповнення до квантової електродинаміки вимагало, щоб нові фотоноподібні частинки були безмасовими. Крапка.

Становище виглядало безвихідним, проте неочікуваний дзвінок-будильник надпровідності відкрив інший, менш очевидний та в остаточному підсумку більш плідний шлях.

Першим жаринки струснув теоретик, який працював безпосередньо в галузі фізики конденсованих середовищ, пов’язаної з надпровідністю в речовинах. Філіп Андерсон із Принстону, пізніше за іншу роботу відзначений Нобелівською премією, висунув припущення, що в контексті фізики елементарних частинок варто дослідити один із найфундаментальніших, усюдисущих феноменів надпровідників.

Однією з найефектніших демонстрацій, яку можна провести з надпровідниками, особливо новими високотемпературними надпровідниками, які допускають прояви надпровідності за температур рідкого азоту, є левітація магніту над надпровідником, як показано нижче:

Це можливо з причини, що її відкрили 1933 року в ході експерименту Вальтер Мейснер із колегами та пояснили двома роками пізніше теоретики Фріц і Хайнц Лондони; її назвали «ефект Мейснера».

Як шістдесятьма роками раніше відкрили Фарадей та Макс­велл, електричні заряди по-різному реагують на магнітні й електричні поля. Зокрема, Фарадей відкрив, що змінне магнітне поле може спричинити протікання струму у віддаленому дроті. Не менш важливим фактом, на якому я раніше не наголошував, є те, що результуючий струм протікатиме так, що породить нове магнітне поле, спрямоване в зустрічному напрямку до змінного зовнішнього магнітного поля. Таким чином, якщо зовнішнє поле зменшуватиметься, згенерований струм породжуватиме магнітне поле, яке протидіятиме цьому зменшенню. Якщо ж воно збільшуватиметься, згенерований струм потече у зворотному напрямку й породить магнітне поле, яке протидіятиме цьому збільшенню.