100 великих научных открытий

В 1928 г. на базе своих выводов Дирак написал новое уравнение, в котором были учтены результаты экспериментов: спин — скорость и направление вращения частицы, а также магнитные свойства (магнитный момент) электрона. И все же уравнение Дирака не касалось поведения частиц с очень большой энергией и высокой скоростью. Пытаясь заполнить этот пробел, ученые поступательно обобщили постулаты квантовой механики и разработали квантовую теорию поля, согласно которой частицы возмущают электромагнитные поля, и те помогают им взаимодействовать. Как? Частицы попросту «перебрасываются» квантами полей, поглощая и испуская порции энергии. При этом частиц может быть сколь угодно много, и вариантов движения (степеней свободы) тоже масса. Впрочем, скоро стало понятно, что большинство квантовополевых вычислений стремятся к бесконечности, и объединение квантовой механики с теорией относительности оказалось под вопросом.

В 1940-х появились более совершенные методы исследований, и это дало возможность американскому физику Уиллису Лэмбу обнаружить расщепление энергетических уровней атома водорода на тонкие линии. Измерения показали, что соседние уровни, вопреки утверждениям Дирака, не совпадают, а магнитный момент электрона аномально высок по сравнению с данными уравнения Дирака.

В 1947 г. немецкий ученый Ганс Бете рассчитал сдвиг, на который указал Лэмб, и его результаты совпали с опытными. Что же сделал Бете? Он рискнул подставить в уравнение точно измеренные массу и заряд электрона, и в итоге получилось конечное выражение, удивительно соответствующее эксперименту. Такая хитрость была названа перенормировкой.

Работа Лэмба и Бете позволила Ричарду Фейнману, Джулиану Швингеру и Синъитиро Томонага за последующие несколько лет завершить формирование квантовой электродинамики, изучающей взаимодействие заряженных частиц (скажем, позитронов и электронов) в процессе обмена квантами электромагнитного поля — фотонами.

А в конце 1970-х американские физики Дэвид Гросс, Дэвид Политцер и Фрэнк Вильчек открыли асимптотическую свободу, которая предполагает существование некой странной силы, ослабляющей взаимодействие между частицами по мере их сближения и возрастающей по мере отдаления частиц. Это объяснило, почему мельчайшие составляющие атомов, кварки, не могут существовать в свободном состоянии — ведь чем дальше они отлетают один от другого, тем мощнее между ними притяжение. Данное открытие подтолкнуло ученых к разработке новой теории ядерных взаимодействий — квантовой хромодинамики (КХД).

КХД стала логическим продолжением квантовой электродинамики (КЭД). Вот только кварки взаимодействуют между собой не потому, что обмениваются порциями энергии, а посредством цвета: красного, желтого или синего. Конечно, это условные понятия, и выражение «кварк имеет какой-либо цвет» означает примерно то же, что «позитрон имеет положительный заряд». В отличие от классической физики, где сила подразумевает отталкивание либо притяжение, квантовая рассматривает силу как «пинг-понг» частицей. Кварки могут взаимодействовать, перебрасываясь одной из восьми частиц-глюонов (от англ. glue

 ― клеить). Этот процесс можно сравнить с игрой в бадминтон или волейбол, когда игроки удерживаются на поле воланом/мячом. И если фотоны в КЭД не имеют электрического заряда, то глюоны заряжены определенным цветом, а потому способны менять цвет кварков. (Как будто у игроков при перебрасывании мячом меняется цвет волос.) Так, если глюон был заряжен положительным красным и отрицательным синим, то синий кварк, поглотив его, покраснеет, но совокупный цветовой заряд останется неизменным.

Согласно главному принципу КХД, кварки соединяются так, чтобы итоговый цвет получился нейтральным. Такие частицы, как барионы (в том числе протоны и нейтроны), состоят из красного, синего и желтого кварков, которые гасят один другой; мезоны — из пары кварк + антикварк, которая тоже не дает цвета.

Данная теория (она получила название калибровочной) базируется на законах симметрии и независимости полей и частиц от каких-либо внешних изменений. Так, если в системе вдруг поменяются местами отрицательный и положительный заряды, взаимодействия между частицами останутся прежними.

Разрабатывая КХД, ученые все ближе подходят к пониманию сути вещей. К примеру, с точки зрения квантовой теории, масса человека — это совокупная масса протонных и нейтронных ядер углерода и других атомов, из которых «построено» наше тело. Но все частицы состоят из кварков, а у тех вовсе нет массы, есть только энергия, то есть человеческое тело по своей сути — это чистая энергия. Массу частиц обеспечивает энергия кварков, носящихся с неимоверной быстротой в шарике атома, а шарик не распадается благодаря тому, что при отдалении кварков сила притяжения между ними растет. Все это означает, что человек является замкнутой кинетической энергией кварков и глюонов.