Розділ без назви (31)

Ґросс працював під впливом не лише свого наукового керівника, а й думок, які на той час домінували, головним чином аргументів Гелл-Манна, котрий наприкінці 1950-х та на початку 1960-х років домінував у теоретичній фізиці елементарних частинок. Гелл-Манн обстоював використання алгебраїчних співвідношень, що постають із розмірковувань про теорію поля, після чого теорію поля треба було відкинути, а співвідношення лишити. Один із дуже характерних для нього описів звучав так: «Цей процес можна порівняти з методом, подеколи використовуваним у французькій кухні: шмат м’яса фазана готують поміж двома скибочками телятини, які після цього викидають».

Тож можна було виділити властивості кварків, корисні для передбачень, а тоді ігнорувати власне можливе існування кварків. Одначе Ґросс почав розчаровуватися в простому використанні ідей, пов’язаних із глобальними симетріями й алгебрами, та прагнув вивчати динаміку, яка дійсно могла б описати фізичні процеси, що відбуваються всередині сильно взаємодійних частинок. Спираючись на попередню роботу Джеймса Бьйоркена, Ґросс та його напарник Кертіс Калан показали, що заряджена частинка, судячи з усього, розташована всередині протонів і нейтронів, повинна мати спін ½, ідентичний спіну електронів. Пізніше, уже з іншими напарниками, Ґросс показав, що аналогічний аналіз виміряного в ЦЕРН розсіювання нейтрино на протонах та нейтронах засвідчив, що ці компоненти виглядають точно як запропоновані Гелл-Манном кварки.

Якщо щось крякає, як качка, і ходить, як качка, то це, імовірно, качка. Тож для Ґросса й інших реальність кварків була переконливо доведена.

Проте як би переконані не були Ґросс та багато інших у реальності кварків, вони були не менш переконані, що з цього випливало, що теорія поля ніяк не могла бути правильним способом опису сильної взаємодії. Результати експериментів вимагали, щоб складові елементи практично не взаємодіяли між собою; жодної сильної взаємодії.

1969 року колеги Ґросса з Принстона Кертіс Калан та Курт Симанзік перевідкрили систему рівнянь, яку досліджували спершу Ландау, а пізніше Гелл-Манн та Френсіс Лоу і яка описувала можливу зміну величин у квантовій теорії поля залежно від масштабу. Якщо партони, існування яких випливало з експериментів у СЦЛП, беруть участь хоч у якихось взаємодіях, як це мають робити кварки, тоді матимуть місце вимірювані відхилення від виведеного Бьйоркеном скейлінгу, і, відповідно, треба буде відкоригувати результати, які одержали ґросс та його напарники, порівнянюючи теорію з результатами експериментів у СЦЛП.

Упродовж наступних двох років на тлі результатів ‘т Гофта та Велтмана й дедалі більшої успішності передбачень теорії слабкої й електромагнітної взаємодій, усе більше людей почали знову звертати увагу на квантову теорію поля. Ґросс вирішив довести з великим ступенем узагальненості, що жодна притомна квантова теорія поля не здатна відтворити експериментальні результати стосовно природи протонів і нейтронів, одержані в СЦЛП. Таким чином він сподівався покласти край усьому цьому підходу до спроб зрозуміти сильну взаємодію. По-перше, він довів би, що єдиний спосіб пояснити результати СЦЛП полягав у тому, що якимось чином на коротких відстанях сила взаємодій квантового поля знижується до нуля, тобто на коротких відстанях поля, по суті, стають невзаємодійними. Далі, як наступний крок, він показав би, що ця властивість не притаманна жодній квантовій теорії поля.

Пригадаймо, що Ландау показав, що квантова електродинаміка, прототипічна узгоджена квантова теорія поля, поводиться точно навпаки. У міру того, як розмірність, на якій ви досліджуєте частинки (на кшталт електронів), зменшується, сила електричних зарядів збільшується через існування хмари віртуальних частинок і античастинок, що їх оточує.

На початку 1973 року Ґросс та його напарник Джорджо Парізі завершили першу частину доведення, а саме що зі спостережуваного в СЦЛП скейлінгу випливає, що, якщо сильну ядерну силу можна описати якою-небудь фундаментальною квантовою теорією поля, сильні взаємодії складових протона повинні обнулюватися на малих масштабах відстані.

Далі Ґросс спробував показати, що така поведінка, а саме обнулення сили взаємодій на малих масштабах відстані, яке він назвав асимптотичною свободою, не властива жодній теорії поля. За допомогою Сідні Коулмана з Гарварду, який у той час відвідував Принстон, Ґросс зумів довести це твердження для всіх притомних квантових теорій поля, крім калібрувальних теорій янг-міллзівського типу.

Тоді Ґросс узяв керівництво новим докторантом, 21-річним Френком Вільчеком, який перейшов до Принстона з Чиказького університету з наміром вивчати математику, проте, прослухавши докторантський курс Ґросса з теорії поля, змінив фах на фізику.

Ґроссу або пощастило, або він був дуже проникливий, оскільки став науковим керівником докторських дисертацій двох найсвітліших голів із-поміж фізиків мого покоління: Вільчека та Едварда Віттена, який стояв на чолі струннотеоретичної революції 1980—1990-х років і є єдиним фізиком в історії, відзначеним престижною Філдсівською премією, найвищою нагородою для математиків. Вільчек, можливо, є одним із кількох справжніх фізиків-поліматів. На початку 1980-х років ми з Френком стали частими напарниками й друзями, і він є не лише одним із найбільш творчих фізиків, з якими мені доводилося працювати, він також володіє енциклопедичними знаннями з цієї сфери. Він прочитав майже всі коли-небудь написані праці з фізики і засвоїв цю інформацію. За ці роки він зробив чимало фундаментальних внесків не лише у фізику елементарних частинок, а й у космологію та фізику матеріалів.

Ґросс доручив Вільчеку асистувати йому в дослідженні останньої лазівки в його попередньому доведенні — визначенні, як змінюється сила взаємодії в янг-міллзівських теоріях у разі переходу до менших масштабів відстані, — і довести, що ці теорії також не здатні проявляти асимптотичну свободу. Вони вирішили безпосередньо та явно обраховувати поведінку взаємодій у цих теоріях на дедалі менших масштабах відстані.

То було неймовірно важке завдання. Відтоді було розроблено інструменти для здійснення таких обчислень, як домашнє завдання в рамках докторантського курсу. Мало того, проводити обчислення завжди легше, коли відомо, якою має бути відповідь, як нам це відомо зараз. Після кількох гарячкових місяців, сповнених фальстартів та численних помилок, у лютому 1973 року вони закінчили обрахунки і, на превеликий подив Ґросса, виявили, що янг-міллзівські теорії все-таки є асимптотично вільними — у цих теоріях сила взаємодії таки прямує до нуля в міру наближення взаємодійних частинок одна до одної. Пізніше у своїй Нобелівській промові Ґросс висловився так: «Для мене відкриття асимптотичної свободи було цілковитою несподіванкою. Наче атеїст, який отримав послання від Неопалимої Купини, я негайно став ревним віруючим».

Сідні Коулман доручив своєму докторантові Девіду Поліцеру виконати аналогічні обрахунки, і його незалежний результат, одержаний приблизно в той же час, узгоджувався з результатами Ґросса й Вільчека. Узгодженість результатів надала обом групам великої впевненості в них.

Янг-міллзівські теорії не просто асимптотично вільні; це єдині теорії поля, яким це властиво. Це навело Ґросса й Вільчека на думку, висловлену у вступі до їхньої основоположної статті, що через цю унікальність і через те, що з огляду на результати експериментів у СЦЛП 1968 року асимптотична свобода, схоже, була необхідним елементом будь-якої теорії сильної взаємодії, можливо, деяка янг-міллзівська теорія мог­ла б пояснити сильну взаємодію.

Залишалося визначити, яка саме янг-міллзівська теорія потрібна для цього, а також чому безмасові калібрувальні частинки, що є фірмовим знаком янг-міллзівських теорій, досі не були виявлені. Також лишалося актуальним ще одне давнє і, мабуть, найважливіше пов’язане з цим питання: «Де кварки?»

Проте перед тим, як перейти до розгляду цих питань, можливо, вас цікавить, чому поведінка янг-міллзівських теорій настільки відрізняється від їхнього простішого брата — квантової електродинаміки, для якої Ландау показав збільшення сили взаємодії між електричними зарядами за умови зменшення масштабів довжини.

Ключ до відповіді дещо неочевидний і захований у природі безмасових калібрувальних частинок у теорії Янга — Міллза. На відміну від фотонів у КЕД, які не мають електричного заряду, глюони, передбачені переносники сильної взаємодії, мають янг-міллзівські заряди, а отже, взаємодіють між собою. Утім, через те, що янг-міллзівські теорії складніші за КЕД, заряди глюонів також складніші за прості електричні заряди електронів. Кожен глюон схожий не лише на заряджену частинку, а й на маленький заряджений магніт.

Якщо піднести маленький магніт до шматка заліза, залізо намагнічується, і ви матимете більш потужний магніт. Щось на кшталт цього відбувається в янг-міллзівських теоріях. Якщо взяти якусь частинку з янг-міллзівським зарядом, скажімо, кварк, тоді кварки й антикварки можуть вигулькувати з вакууму навколо заряду й екранувати його, як це відбувається в електромагнетизмі. Проте глюони також можуть вигулькувати з вакууму, а оскільки вони поводяться, як маленькі магніти, то схильні орієнтуватися вздовж напрямку поля, породженого початковим кварком. Це збільшує силу поля, що, своєю чергою, змушує вигулькувати з вакууму більше глюонів, які додатково посилюють поле, і так далі.

Як наслідок, чим глибше вдається зануритись у хмару віртуальних глюонів, себто чим ближче вдається підібратися до кварка, тим слабшим виглядатиме поле. Кінець кінцем, у міру наближення кварків один до одного їхня взаємодія стає настільки слабкою, що вони починають поводитися так, наче зовсім не взає­модіють, що є характерною ознакою асимптотичної свободи.