Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

С теориями такого типа имеется очевидная проблема. Фотоны не имеют массы, тогда как W⁺, W^— и Z⁰-бозоны должны быть очень тяжелыми, иначе их обнаружили бы на несколько десятков лет раньше: ведь чем тяжелее частицы, тем больше энергии необходимо для их получения в ускорителе и тем дороже становится сам ускоритель. Решение связано с идеей так называемого спонтанного нарушения симметрии, успешно применявшейся в других областях физики частиц с 1960 г. Уравнения теории могут обладать определенными упрощениями, которые отсутствуют в решениях, описывающих результаты наблюдений[37]: например, можно упростить соотношения, описывающие взаимодействие между фотоном, W

⁺, W^— и Z⁰-бозонами. В теории электрослабого взаимодействия симметрия между слабой и электромагнитной силами нарушается и W⁺, W^—

и Z⁰-бозоны, как и электрон, получают массы от четырех предполагаемых «скалярных» полей, пронизывающих Вселенную[38]. Новая, недавно открытая частица, существование которой было предсказано теорией, представляет собой квант одного из этих скалярных полей[39].

Поскольку уравнения теории электрослабого взаимодействия аналогичны уравнениям квантовой электродинамики, соответственно, все бесконечности в теории вроде бы должны исчезнуть. Доказательство было получено в 1971 г. Явления, связанные с обменом Z⁰-частицами, были зарегистрированы в 1973 г., и, как оказалось, наблюдения согласуются с предсказаниями теории электрослабого взаимодействия. Сами W

⁺, W^— и Z⁰-бозоны были открыты на 10 лет позже, и все их свойства соответствовали теоретическим оценкам.

Чуть больше времени потребовалось, чтобы понять природу еще одной силы, которая удерживает вместе протоны и нейтроны в атомном ядре. Речь идет о сильном ядерном взаимодействии. 50 лет назад мы располагали огромным массивом данных об этой силе и могли вообразить любое количество квантово-полевых теорий, потенциально пригодных для описания этого типа взаимодействия, однако у нас не было способа воспользоваться данными, чтобы выбрать правильную теорию. Поскольку сила взаимодействия велика, во всех этих теориях каждая возможная последовательность промежуточных шагов вносила существенный вклад во все наши расчеты. Учесть все эти вклады даже приблизительно, как мы делали в рамках теории электрослабого взаимодействия, было невозможно.

Ситуация усложнялась тем, что со временем обнаруживалось все больше и больше типов частиц, участвующих в сильном взаимодействии. Казалось невероятным, что все эти сотни типов частиц могут быть квантами различных полей, сгустками энергии поля, по одному полю на каждый тип частиц. Всем этим частицам можно было бы придать какой-то смысл, если предположить, что они состоят из по-настоящему элементарных частиц — кварков, относящихся к нескольким типам. Было сделано предположение, что каждый протон и нейтрон в атомном ядре состоит из трех кварков. Но если это так, почему экспериментаторы не смогли обнаружить эти кварки? Я помню охвативший всех пессимизм относительно того, можно ли вообще сильное взаимодействие описать хоть какой-то квантово-полевой теорией.

Позже, в начале 1970-х гг., нужная теория была найдена. Как и успешная теория электрослабого взаимодействия, новая теория имела нечто общее с квантовой электродинамикой, только теперь место электрического заряда заняла новая величина, условно названная цветом. В рамках этой теории, получившей название квантовой хромодинамики, сильное взаимодействие между кварками осуществляется за счет обмена протоноподобными частицами восьми типов, названных глюонами. Квантовая хромодинамика объясняет экспериментальные результаты, согласно которым сильное взаимодействие между кварками ослабевает, когда кварки рассматриваются на конечных расстояниях, как и в случае, когда они сталкиваются с электронами при высоких энергиях. Это ослабление силы взаимодействия позволяет проводить различные приближенные расчеты, как в теории электрослабого взаимодействия, и результаты расчета согласуются с экспериментами, что подтверждает правильность теории.

Глюоны никогда не наблюдались в эксперименте. Сначала предполагалось, что причиной этому является слишком высокая масса частиц, поэтому их не удается получить в существующих ускорителях. Глюоны приобретают огромную массу в результате нарушения симметрии, аналогично тому как W⁺, W^— и Z⁰-бозоны приобретают массу в теории электрослабого взаимодействия. И даже в этом случае все еще остается загадкой, почему кварки ни разу не наблюдались в экспериментах. Трудно было поверить, что кварки слишком тяжелые; навряд ли они могут быть намного тяжелее, чем содержащие их протоны и нейтроны.

Позже несколько ученых-теоретиков предположили, что, поскольку сильное взаимодействие ослабевает на малых расстояниях, возможно, оно становится очень интенсивным на больших расстояниях, настолько интенсивным, что оказывается невозможным разъединить цветные частицы вроде кварков и глюонов. Никто не доказал математически справедливость этого предположения, но многие физики считают его верным.