Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй

В 1950-е гг. советский физик Лев Ландау показал, что электрический заряд электрона зависит от масштаба, на котором вы его измеряете. Виртуальные частицы выскакивают из ниоткуда в пустом пространстве, так что электроны и все остальные элементарные частицы окружены облаком виртуальных пар частица – античастица. Эти пары экранируют заряд в точности так же, как экранируется заряд в диэлектрических материалах. Положительно заряженные виртуальные частицы стремятся теснее окружить отрицательный заряд, поэтому на некотором расстоянии физические эффекты исходного отрицательного заряда снижаются.

Это означало, по мнению Ландау, что чем ближе подходишь к электрону, тем больше будет казаться его реальный заряд. Если при измерении на больших расстояниях мы получаем для заряда электрона некую конкретную величину, как и происходит на самом деле, то это должно означать, что «чистый» заряд на электроне, то есть заряд на фундаментальной частице, рассматриваемый без учета всей бесконечной оболочки в виде пар частица – античастица, окружающих ее на все более мелких масштабах, должен быть бесконечным. Ясно, что с этой картиной что-то откровенно не так.

Гросс находился под влиянием не только своего научного руководителя, но и преобладающих взглядов того времени, в первую очередь аргументов Гелл-Манна, единолично доминировавшего в теоретической физике конца 1950-х – начала 1960-х. Гелл-Манн считал, что нужно использовать алгебраические соотношения, возникающие из размышлений о теориях поля, а затем сохранить эти соотношения, отбросив при этом теорию поля. Он заявлял, очень по-гелл-манновски описывая ситуацию: «Мы могли бы сравнить этот процесс с методом, который иногда используется во французской кухне: кусок фазаньего мяса готовится между двумя ломтиками телятины, которые затем выбрасывают».

Таким образом, можно было вычленить потенциально полезные для предсказаний свойства кварков, а затем игнорировать возможность реального существования кварков. Однако Гросса уже не устраивало простое использование идей, связанных с глобальными симметриями и алгебрами, он хотел исследовать динамику, которая могла бы по-настоящему описывать физические процессы внутри сильно взаимодействующих частиц. Гросс и его соавтор Кёртис Каллан опирались на более раннюю работу Джеймса Бьёркена и хотели показать, что заряженные частицы, расположенные, судя по всему, внутри протонов и нейтронов, должны иметь спин ½, то есть точно такой же, как у электронов. Позже, уже с другими соавторами, Гросс показал, что при аналогичном анализе рассеяния нейтрино на протонах и нейтронах данные ЦЕРН демонстрируют, что эти компоненты выглядят в точности как кварки, существование которых предположил в свое время Гелл-Манн.

Если нечто крякает как утка и ходит как утка, то это, вероятно, и есть утка. Так что у Гросса и других ученых реальность кварков теперь сомнений не вызывала.

Но как бы ни были убеждены Гросс и другие в реальности кварков, они были в равной мере убеждены, что из этого вытекает невозможность для полевой теории дать корректное описание сильного взаимодействия. Результаты эксперимента требовали, чтобы компоненты практически не взаимодействовали между собой и, в частности, не вступали бы в сильное взаимодействие.

В 1969 г. коллеги Гросса по Принстону Кёртис Каллан и Курт Симанзик заново открыли систему уравнений, которую до них исследовал Ландау, а затем Гелл-Манн и Фрэнсис Лоу, описывавшую, как величины в квантовой теории поля изменялись бы при изменении масштаба. Если партоны, существование которых вытекало из экспериментов на SLAC, вообще вступают в какие-либо взаимодействия – как должны, по идее, вести себя кварки, – то наблюдались бы рассчитанные Бьёркеном измеримые отклонения от скейлинга, и результаты, которые Гросс с соавторами вывели из сравнения теории с данными экспериментов на SLAC, тоже потребовалось бы модифицировать.

В следующие два года, учитывая результаты ’т Хоофта и Вельтмана и растущий успех предсказаний теории слабых и электромагнитных взаимодействий, все больше ученых вновь стали обращать внимание на квантовую теорию поля. Гросс решил доказать с высокой общностью, что ни одна разумная квантовая теория поля ни при каких условиях не может воспроизвести наблюдаемые на SLAC экспериментальные результаты, связанные с природой протонов и нейтронов. Тем самым он надеялся прикончить целое направление в попытках объяснения сильного взаимодействия. Во-первых, он собирался доказать, что единственный способ объяснить результаты SLAC – это сделать так, чтобы каким-то образом на коротких расстояниях сила квантово-полевых взаимодействий падала бы до нуля, то есть чтобы поля фактически прекращали взаимодействовать на коротких расстояниях. После этого он рассчитывал показать, что ни одна квантовая теория поля не в состоянии этого обеспечить.