Долгая дорога к электрослабому объединению стала демонстрацией интеллектуального упорства и изобретательности. Но она же была и вынужденным отступлением. Чуть ли не все основные идеи, предложенные Янгом, Миллсом, Юкавой, Хиггсом и другими учеными, приведшие в конечном итоге к появлению этой теории, были разработаны в процессе безуспешной на первый взгляд борьбы за понимание мощнейшей силы природы – сильного ядерного взаимодействия. Вспомним, что эта сила и проявляющие ее сильно взаимодействующие частицы настолько запутали физиков, что в 1960-е гг. многие из них совсем потеряли надежду когда-либо объяснить это взаимодействие методами квантовой теории поля, которая к тому времени так успешно описывала электромагнетизм и слабое взаимодействие.

Был, правда, один успех, связанный с гипотезой Гелл-Манна и Цвейга о том, что все сильно взаимодействующие частицы, наблюдавшиеся до того момента, включая протон и нейтрон, можно интерпретировать как состоящие из более фундаментальных объектов, которые, как я уже говорил, Гелл-Манн назвал кварками. Все известные, а заодно и неизвестные на тот момент сильно взаимодействующие частицы можно было без труда классифицировать, если считать, что они состоят из кварков. Более того, аргументы от симметрии, побудившие, в частности, Гелл-Манна выдвинуть свою модель, стали основой для осмысления прежде непонятных данных по реакциям сильно взаимодействующего вещества.

Тем не менее Гелл-Манн допускал, что его схема может быть всего лишь математической конструкцией, полезной для классификации, а на самом деле кварков не существует и за этим термином не стоит реальных частиц. В конце концов, ни на одном ускорителе и ни в одном эксперименте с космическими лучами никогда не наблюдали ни одного свободного кварка. Вероятно также, что Гелл-Манн находился под влиянием популярной идеи о том, что квантовая теория поля, а следовательно, и понятие элементарных частиц как таковых не работает в ядерных масштабах. Даже в 1972 г. он заявлял: «Позвольте подчеркнуть тот главный момент, что, вполне возможно, нам удастся построить исчерпывающую теорию адронов, основанную на кварках и некоем клее… Но это совершенно не означает никакого конфликта с бутстрап-теорией, поскольку сущности, с которых мы начинаем, вымышленные».

С этой точки зрения попытки описать сильное взаимодействие при помощи калибровочной квантовой теории поля Янга – Миллса, в которой взаимодействие переносится реальными калибровочными частицами, предпринимаются зря. Это просто казалось невозможным. Сильное взаимодействие работало, судя по всему, только на ядерных масштабах, так что если уж описывать его калибровочной теорией, то фотоноподобные частицы, которые будут переносить это взаимодействие, должны быть тяжелыми. Но при этом не было данных в пользу хиггсовского механизма с его массивными сильно взаимодействующими хиггсоподобными частицами, которые легко должны были бы обнаруживаться в экспериментах. Обобщая, можно сказать, что взаимодействие было, попросту говоря, настолько сильным, что, даже если бы оно описывалось калибровочной теорией, все методы квантовой теории поля, придуманные для вывода предсказаний и замечательно работавшие с другими силами, не сработали бы в применении к сильному взаимодействию. Вот почему Гелл-Манн в приведенной цитате говорит о бутстрапе – имеется в виду дзеноподобная идея о том, что по-настоящему фундаментальных частиц просто не существует. Аплодисменты без рук, пожалуйста.

Всякий раз, когда теория, как в данном случае, заходит в тупик, очень полезно использовать эксперимент в качестве ориентира, и как раз это произошло в 1968 г. Серия основополагающих экспериментов, которые провели Генри Кендалл, Джерри Фридман и Ричард Тейлор с использованием новопостроенного ускорителя SLAC, на котором электроны высоких энергий рассеивались на протонах и нейтронах, обнаружила нечто замечательное. Выяснилось, что протоны и нейтроны действительно имеют некую субструктуру, но она была очень странной. Столкновения демонстрировали свойства, которых никто не ожидал. Указывали ли они на кварки?

Теоретики не замедлили прийти на помощь. Джеймс Бьёркен продемонстрировал, что явления, которые наблюдали экспериментаторы и которые стали называть скейлингом, можно понять, если считать, что протоны и нейтроны состоят из фактически не взаимодействующих точечных частиц. Затем Фейнман интерпретировал эти объекты как реальные частицы, которые он назвал партонами, и предположил, что в них можно распознать Гелл-Манновы кварки.

Однако у этой картины была одна по-настоящему крупная проблема. Если все сильно взаимодействующие частицы состоят из кварков, то кварки, безусловно, должны и сами участвовать в сильном взаимодействии. Почему же все выглядит так, будто они почти свободны внутри протонов и нейтронов и при этом не вступают в сильное взаимодействие друг с другом?

Более того, в 1965 г. Намбу, Хан Му Юн и Оскар Гринберг предположили и убедительно обосновали, что если сильно взаимодействующие частицы построены из кварков и являются фермионами, как электроны, то Гелл-Маннова классификация известных частиц по различным сочетаниям кварков в них получится непротиворечивой только в том случае, если кварки обладают каким-то новым видом внутреннего заряда – новым калибровочным зарядом Янга – Миллса. Из этого следовало, что они вступают в сильное взаимодействие посредством нового набора калибровочных бозонов, которые тогда назвали глюонами. Но где эти глюоны, и где эти кварки, и почему нет никаких свидетельств сильного взаимодействия кварков внутри протонов и нейтронов, если они действительно совпадают с партонами Фейнмана?

Еще одна проблема с кварками состояла в том, что поскольку протоны и нейтроны участвуют в слабых взаимодействиях и при этом состоят из кварков, то кварки тоже, по идее, должны участвовать не только в сильных, но и в слабых взаимодействиях. Гелл-Манн в свое время определил три разных типа кварков, из которых, по его мнению, строились все известные на тот момент сильно взаимодействующие частицы. Мезоны можно было сконструировать из пар кварк – антикварк. Протоны и нейтроны могли состоять из трех кварков с дробными зарядами, которые Гелл-Манн бесхитростно назвал верхними (u, up) и нижними (d, down) кварками. Протон включал в себя два u-кварка и один d-кварк, а нейтрон – два d-кварка и один u-кварк. В дополнение к этим двум типам кварков еще один тип – более тяжелая версия d-кварка – требовался для построения экзотических новооткрытых элементарных частиц. Гелл-Манн назвал этот кварк странным (s, strange); при этом говорилось, что частицы, в которых s-кварк содержится, обладают «странностью».

Когда впервые появилась гипотеза о нейтральных токах как составной части слабого взаимодействия, возникла проблема. При взаимодействии с Z-частицами u-, d- и s-кварки могли оставаться u-, d- и s-кварками и до, и после взаимодействия посредством нейтрального тока, точно так же как электроны остаются электронами и до, и после такого взаимодействия. Однако поскольку d- и s-кварки обладают в точности одинаковыми электрическим зарядом и изотопическим спином, ничто не должно мешать s-кварку превратиться в d-кварк при взаимодействии посредством Z-частицы. Это позволило бы частицам, включающим в себя s-кварки, распадаться с образованием частиц, в состав которых входят d-кварки. Но никаких подобных «меняющих странность» процессов не наблюдалось, несмотря на высокую чувствительность экспериментов. Что-то было не так.

Это отсутствие «меняющих странность нейтральных токов» сумел блестяще объяснить, по крайней мере в принципе, Шелдон Глэшоу в соавторстве с Джоном Илиопулосом и Лучано Майани в 1970 г. Эти ученые восприняли кварковую модель всерьез и предположили, что если существует четвертый кварк, получивший название очарованного (c, charm), с таким же зарядом, как у u-кварка, то при вычислении частоты превращения s-кварка в d-кварк произойдет замечательное математическое сокращение – и изменяющие странность нейтральные токи будут подавлены, в полном согласии с результатами экспериментов.

Более того, из этой схемы начинала вырисовываться красивая симметрия между кварками и такими частицами, как электроны и мюоны, в которой все их можно было разбить на пары, связанные со слабым взаимодействием. Парой для электрона при этом становилось его собственное нейтрино, и для мюона аналогично. Верхний и нижний кварки также образовывали пару, а очарованный и странный кварки – вторую. Тогда W-частицы, взаимодействуя с одной из частиц в каждой паре, превращали бы их во вторую частицу той же пары.

Однако ни один из приведенных аргументов не решал центральной проблемы сильного взаимодействия между кварками. Почему никто никогда не видел ни одного кварка? И если сильное взаимодействие действительно описывается калибровочной теорией с глюонами в качестве калибровочных частиц, то как, хотя бы в принципе, можно увидеть глюон? Наконец, если глюоны действительно не имеют массы, то почему сильное взаимодействие имеет такой малый радиус действия?

Эти проблемы, по мнению некоторых ученых, указывали на то, что квантовая теория поля – негодный подход к пониманию сильного взаимодействия. Фримен Дайсон, сыгравший такую важную роль в разработке первой успешной квантовой теории поля – квантовой электродинамики, утверждал, имея в виду сильное взаимодействие: «В ближайшие сто лет верная теория не будет найдена».

Одним из тех, кто был убежден, что квантовая теория поля обречена, был блестящий молодой теоретик Дэвид Гросс. Как ученик Джеффри Чу – автора бутстрап-гипотезы о ядерной демократии, в которой элементарные частицы представляли собой всего лишь иллюзию, прикрывающую структуру, в которой реальны были только симметрии, но не частицы, – Гросс был прекрасно подготовлен и решительно настроен прикончить квантовую теорию поля раз и навсегда.

Не забывайте, что даже в конце 1965 г., когда Ричард Фейнман получал свою Нобелевскую премию, процедура, которую он и другие ученые разработали для избавления от расходимостей в квантовой теории поля, все еще считалась своего рода фокусом; многие полагали, что на малых масштабах что-то капитально не так с картиной, которую представляет квантовая теория поля.

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.

Не забывайте: Ландау показал, что квантовая электродинамика – классическая непротиворечивая квантовая теория поля – ведет себя в точности противоположным образом. Сила электрических зарядов из-за окружающего их облака виртуальных частиц и античастиц возрастает, по мере того как уменьшается масштаб, на котором происходит зондирование частиц (таких как электроны).

В начале 1973 г. Гросс и его соавтор Джорджо Паризи завершили первую часть работы, а именно доказали, что если сильное ядерное взаимодействие описывается любого рода фундаментальной квантовой теорией поля, то скейлинг, наблюдаемый на SLAC, требует, чтобы сильное взаимодействие компонентов протона сходило на нет на малых масштабах.

Далее, Гросс попытался показать, что никакие теории поля на самом деле не ведут себя так, чтобы сила взаимодействия на малых расстояниях сходила на нет; такое поведение он назвал асимптотической свободой. С помощью Сидни Коулмана из Гарварда, посещавшего как раз в то время Принстон, Гросс сумел провести это доказательство для всех разумных квантовых теорий поля, за исключением калибровочных теорий типа теории Янга – Миллса.

В этот момент Гросс взял к себе нового студента – двадцатиоднолетнего Фрэнка Вильчека, который приехал в Принстон из Чикагского университета, чтобы изучать математику, но после курса теории поля, который читал Гросс, переключился на физику.

Гросс был либо удачлив, либо проницателен, поскольку ему довелось быть научным руководителем дипломных работ двух самых, вероятно, замечательных умов среди физиков моего поколения – Фрэнка Вильчека и Эдварда Виттена. Виттен стал одним из лидеров революции в физике 1980-х и 1990-х гг., связанной с теорией струн, и единственным физиком, удостоенным престижной Филдсовской медали – высшей награды для математиков. Вильчек, вероятно, один из немногих подлинных физиков-универсалов. В начале 1980-х гг. мы с Фрэнком подружились и часто работали в соавторстве, и он не только один из самых изобретательных физиков, с какими мне приходилось работать, но и обладает поистине энциклопедическими знаниями в своей области. Он прочел едва ли не все когда-либо написанные труды по физике и впитал почерпнутую из них информацию. За прошедшие годы он сделал множество фундаментальных открытий не только в физике элементарных частиц, но также в космологии и материаловедении.

Гросс поручил Вильчеку исследовать вместе с ним единственную остававшуюся брешь в своем доказательстве и определить, как меняется сила взаимодействия в теориях Янга – Миллса по мере уменьшения расстояния, чтобы доказать, что и в этих теориях тоже не наблюдается асимптотической свободы. Они решили явно и непосредственно просчитать поведение взаимодействий в этих теориях на все меньших и меньших масштабах.

Это была сложнейшая задача. С тех пор были разработаны инструменты, позволяющие провести такой расчет в виде домашней работы на выпускном курсе. К тому же считать всегда проще, если знаешь, как знаем мы сегодня, каким должен быть ответ. После нескольких сумбурных месяцев, многочисленных фальстартов и численных ошибок в феврале 1973 г. они завершили расчет и обнаружили, к великому удивлению Гросса, что на самом деле теории Янга – Миллса обладают асимптотической свободой: сила взаимодействия в них действительно стремится к нулю, по мере того как взаимодействующие частицы сближаются. Позже в своей нобелевской лекции Гросс сказал: «Для меня открытие асимптотической свободы было совершенно неожиданным. Подобно атеисту, который только что услышал голос из неопалимой купины, я тут же обратился в истинную веру».

Сидни Коулман поручил своему студенту Дэвиду Политцеру проделать аналогичные вычисления; его независимый результат совпал с результатом Гросса и Вильчека и был получен примерно в то же время. То, что результаты совпали, дало обеим группам дополнительную уверенность в их достоверности.

Мало того, что теории Янга – Миллса оказались асимптотически свободными, выяснилось, что это единственный класс теорий поля, обладающий этим свойством. Это побудило Гросса и Вильчека предположить в первых строках их совместной эпохальной статьи, что теория Янга – Миллса, возможно, и правда объясняет сильное взаимодействие с учетом этой ее уникальности и того, что экспериментальные результаты SLAC 1968 г., по-видимому, делают асимптотическую свободу непременным требованием к любой теории сильного взаимодействия.

Которая из теорий Янга – Миллса верна, предстояло еще определить, как и понять, почему безмассовые калибровочные частицы, которые служат визитной карточкой теорий Янга – Миллса, никому никогда не попадались на глаза. И связанный с этим, возможно, самый важный и давний вопрос: а где же кварки?

Но, прежде чем я перейду к этим вопросам, еще один момент. Вас, возможно, интересует, почему поведение теорий Янга – Миллса так отличается от поведения их более простого сородича – квантовой электродинамики, для которой Ландау показал, что сила взаимодействия между электрическими зарядами возрастает на малых масштабах.

Ключевой момент здесь довольно тонкий и кроется в природе безмассовых калибровочных частиц в теории Янга – Миллса. В отличие от фотонов в электродинамике, не имеющих электрического заряда, глюоны – предсказанные переносчики сильного взаимодействия – обладают зарядами Янга – Миллса и потому взаимодействуют друг с другом. Но, поскольку теории Янга – Миллса сложнее квантовой электродинамики, заряды на глюонах тоже сложнее, чем простые электрические заряды на электронах. Каждый глюон похож не только на заряженную частицу, но и на маленький заряженный магнит.

Если поднести маленький магнитик к железному предмету, железо намагнитится и в результате вы получите более мощный магнит. Что-то аналогичное происходит и в теориях Янга – Миллса. Если у меня имеется некая частица с зарядом Янга – Миллса, скажем кварк, то кварки и антикварки могут возникать в вакууме вокруг этого заряда и экранировать его, как происходит в электромагнетизме. Но глюоны тоже могут выскакивать из вакуума, и поскольку они работают как маленькие магнитики, то стремятся выстроиться в направлении поля, порождаемого первоначальным кварком. Это увеличивает силу поля, что, в свою очередь, побуждает новые глюоны выскакивать из вакуума, что увеличивает силу поля, и т. д.

В результате чем глубже вы проникаете внутрь виртуального глюонного облака, то есть чем ближе подбираетесь к кварку, тем слабее будет казаться поле. В конечном итоге, когда вы сблизите два кварка, взаимодействие между ними станет настолько слабым, что они начнут вести себя так, будто вовсе не взаимодействуют, – а это главная отличительная черта асимптотической свободы.

Я воспользовался здесь глюонами и кварками как своеобразными ярлычками, но следует заметить, что асимптотическая свобода не указывала однозначно на какую-то конкретную теорию Янга – Миллса. Однако Гросс и Вильчек признавали, что естественным кандидатом была та теория Янга – Миллса, которую Гринберг и другие постулировали как необходимую для того, чтобы кварковая гипотеза Гелл-Манна объясняла наблюдаемую природу элементарных частиц. В этой теории каждый кварк несет на себе один из трех различных типов заряда, которые обозначаются, за отсутствием более подходящих названий, цветами: красный, зеленый и синий. Именно из-за такой терминологии Гелл-Манн пустил в обращение для этой теории Янга – Миллса название «квантовая хромодинамика» – квантовая теория цветных зарядов, по аналогии с квантовой электродинамикой – квантовой теорией электрических зарядов.

Гросс и Вильчек исходили из того, что квантовая хромодинамика является корректной калибровочной теорией сильного взаимодействия кварков, поскольку наблюдательные данные говорили в пользу подобной симметрии, связанной с кварками.

Не более чем через год после этих теоретических достижений замечательная идея асимптотической свободы получила столь же замечательное экспериментальное подкрепление. Эксперименты на SLAC и еще на одном ускорителе в Брукхейвене на Лонг-Айленде привели к поразительному и неожиданному открытию новой массивной элементарной частицы, причем было похоже, что частица эта включает в себя новый кварк – тот самый очарованный кварк, что был предсказан Глэшоу и его коллегами четырьмя годами раньше.

Но в этом открытии была своя загадка, поскольку новая частица жила намного дольше, чем можно было ожидать на основании измеренного времени жизни более легких нестабильных сильно взаимодействующих частиц. Открывшие новую частицу экспериментаторы говорили, что ее обнаружение было подобно тому, как случайно встретить в джунглях новый вид людей, живущих не до ста, а до десяти тысяч лет.

Если бы это открытие было сделано хотя бы на пять лет раньше, оно показалось бы необъяснимым. Но в данном случае судьба благоприятствовала подготовленному разуму. Том Аппельквист и Дэвид Политцер, работавшие в то время в Гарварде, быстро поняли, что если асимптотическая свобода действительно является свойством сильного взаимодействия, то можно показать, что взаимодействия, управляющие более массивными кварками, должны быть слабее взаимодействий, управляющих более легкими и более знакомыми кварками. А более слабое взаимодействие означает, что частицы распадаются медленнее. То, что могло казаться загадкой, в данной ситуации служило подтверждением новой идеи асимптотической свободы. Казалось, все встало на свои места.

За исключением всего одной, но весьма существенной вещи. Если теория квантовой хромодинамики – это теория взаимодействий между кварками и глюонами, то где, собственно, сами кварки и глюоны? Как так получается, что никто и никогда не видел их в эксперименте?

Ответить на этот вопрос помогла асимптотическая свобода, предоставившая ключевое свидетельство. Если сильное взаимодействие ослабевает по мере приближения к кварку, то, напротив, по мере отдаления от кварка оно должно усиливаться. Представьте тогда, что произойдет, если я попытаюсь растащить кварк и антикварк, связанные сильным взаимодействием. Когда я начинаю их растаскивать, мне требуется все больше и больше энергии, поскольку сила притяжения между ними возрастает с расстоянием. Со временем поля вокруг кварков накопят так много энергии, что энергетически выгодным станет появление из вакуума новой пары кварк – антикварк, каждый член которой свяжется с одной из первоначальных частиц. Этот процесс схематически показан на рисунке.

Это похоже на растягивание резиновой ленты. В конце концов лента, вместо того чтобы растягиваться до бесконечности, разорвется на две части. Каждый кусок ее в данном случае будет символизировать новую связанную пару кварк – антикварк.

Что это должно означать для экспериментаторов? Ну, если я ускоряю частицу, к примеру электрон, и она сталкивается с кварком внутри протона, то кварк будет выбит из протона наружу. Но, когда кварк начинает выходить из протона, его взаимодействие с остающимися кварками усилится, и в конечном итоге станет энергетически выгодно, чтобы из вакуума выскочила пара кварк – антикварк и ее составляющие связались как с выбитым кварком, так и с его остающимися собратьями. Это означает, что возникнет ливень сильно взаимодействующих частиц, таких как протоны, нейтроны, пионы и т. д., движущийся вдоль траектории первоначального выбитого кварка, и аналогичный ливень сильно взаимодействующих частиц в направлении движения оставшихся от протона исходных кварков. А потому никто и никогда не увидит кварки по отдельности.

Аналогично, если частица сталкивается с кварком, то при отскоке кварк иногда, прежде чем связаться с появившимся из вакуума антикварком, испускает глюон. Далее, поскольку глюоны взаимодействуют и с кварками, и между собой, новый глюон может испустить еще несколько глюонов. Эти глюоны, в свою очередь, также будут окружены новыми кварками, возникшими из вакуума, и породят новые сильно взаимодействующие частицы, движущиеся вдоль направлений движения каждого из первоначальных глюонов. В этом случае можно ожидать увидеть в некоторых случаях не одиночный ливень, движущийся в направлении движения первоначального кварка, а несколько таких ливней, соответствующих каждому из новых глюонов, испущенных по пути.

Поскольку квантовая хромодинамика – конкретная, вполне определенная теория, по ней можно предсказать частоту, с которой кварки будут испускать глюоны, и частоту, с которой можно будет увидеть одиночный ливень частиц, или, как принято говорить, струю, выброшенную при столкновении электрона с протоном или нейтроном, а также частоту, с которой можно будет увидеть две струи, и т. д. Со временем, когда ускорители стали достаточно мощными, чтобы наблюдать на них все эти процессы, экспериментально наблюдаемые частоты в точности совпали с предсказаниями теории.

Есть все основания считать, что эта картина свободных кварков и глюонов, которые быстро связываются с новыми кварками и антикварками, так что никто и никогда не сможет наблюдать свободный кварк или глюон, соответствует действительности. Это явление называется конфайнментом, или невылетанием кварков, поскольку кварки и глюоны всегда заключены внутри сильно взаимодействующих частиц, таких как протоны и нейтроны, и не могут вылететь из них, без того чтобы не оказаться заключенными внутри вновь созданных сильно взаимодействующих частиц.

Поскольку реальные процессы, за счет которых кварки оказываются заключенными внутри частиц, протекают, когда взаимодействие становится все сильнее и сильнее по мере удаления кварка от его первоначальных компаньонов, стандартные вычислительные методы квантовой теории поля, пригодные для не слишком сильных взаимодействий, перестают работать. Так что эта проверенная экспериментом картина не может в настоящий момент быть полностью подтверждена точными расчетами.

Сможем ли мы когда-нибудь разработать математические инструменты, необходимые для того, чтобы, отталкиваясь от первичных принципов, аналитически продемонстрировать, что конфайнмент действительно представляет собой математическое свойство квантовой хромодинамики? Это вопрос на миллион долларов, причем в буквальном смысле. Математический институт Клэя объявил приз в миллион долларов за строгое математическое доказательство того, что квантовая хромодинамика действительно не допускает появления свободных кварков или глюонов. Хотя ни одного претендента на приз пока не объявилось, у нас все же есть сильные косвенные свидетельства в пользу этой идеи, причем исходят они не только из экспериментальных наблюдений, но и из численных моделей, которые с хорошей точностью соответствуют сложным взаимодействиям квантовой хромодинамики. Это внушает оптимизм, хотя ничего и не гарантирует. Нам еще предстоит подтвердить, что это свойство теории, а не компьютерной модели. Однако для физиков, хотя, может быть, и не для математиков, это выглядит достаточно убедительно.

Последнее прямое подтверждение того, что квантовая хромодинамика верна, пришло из той области, где точные расчеты возможны. Поскольку кварки на коротких расстояниях не абсолютно свободны, то, как я уже упоминал, должны иметь место вычислимые поправки к экзотическим явлениям скейлинга при высокоэнергетических столкновениях электронов с протонами и нейтронами, которые первоначально наблюдались на SLAC. Идеальный скейлинг требовал бы абсолютно невзаимодействующих частиц. Поправки, которые можно рассчитать на основе квантовой хромодинамики, должны наблюдаться только в куда более чувствительных экспериментах, чем те, что первоначально проводились на SLAC. Их проверка стала возможна лишь после разработки новых ускорителей высоких энергий. Спустя примерно тридцать лет было собрано достаточно данных, чтобы убедиться в соответствии теоретических предсказаний и эксперимента с точностью 1 %, и квантовая хромодинамика как теория сильного взаимодействия получила наконец точное подтверждение в своих деталях.

В 2004 г. Гросс, Вильчек и Политцер были наконец удостоены Нобелевской премии за открытие асимптотической свободы. Экспериментаторы, первыми обнаружившие сейлинг на SLAC, – а это было ключевое наблюдение, подтолкнувшее теоретиков в верном направлении, – получили Нобелевскую премию гораздо раньше, в 1990 г. А экспериментаторы, открывшие очарованный кварк в 1974 г., получили Нобелевку всего через два года, в 1976 г.

Но самая большая награда – это, как говорил Ричард Фейнман, не признание в форме медали или денежной премии и даже не похвала из уст коллег или публики, но счастье реально узнать о природе нечто новое.

В этом смысле 1970-е гг. были, возможно, богатейшим десятилетием XX века, если не всей истории физики. В 1970 г. только один тип фундаментальных взаимодействий мы понимали полностью, то есть как квантовую теорию, и это была квантовая электродинамика. К 1979 г. мы разработали и экспериментально проверили величайшее, возможно, теоретическое сооружение, созданное до сего момента человеческим разумом, – Стандартную модель физики элементарных частиц, точно описывающую три из четырех известных взаимодействий в природе. Путь к этой вершине охватывает всю историю современной физики, начиная с исследования природы движущихся тел Галилеем и последовавшие открытие законов движения Ньютоном, экспериментальное и теоретическое исследование природы электромагнетизма, объединение пространства и времени Эйнштейном, открытие ядра, квантовой механики, протонов, нейтронов, открытие собственно слабого и сильного взаимодействий.

Но самой замечательной чертой на этом долгом пути к свету было то, насколько фундаментальная природа реальности не похожа на те тени реальности, которые мы ежедневно видим вокруг себя, и насколько фундаментальные величины, управляющие, на первый взгляд, нашим существованием, на самом деле вовсе не фундаментальны.

Основными составляющими наблюдаемого вещества являются частицы, которые никому и никогда не удавалось наблюдать непосредственно и которые, если мы правы, никогда и никому не удастся наблюдать непосредственно, – кварки и глюоны. Свойства сил, управляющих взаимодействиями этих частиц, а также частиц, которые более столетия лежали в основе экспериментальной физики, – электронов, на фундаментальном уровне тоже радикально отличаются от свойств, которые мы наблюдаем непосредственно и от которых зависит наше существование. Сильное взаимодействие между протонами и нейтронами – это всего лишь дальнодействующий остаток от лежащего в его основе взаимодействия между кварками, фундаментальные свойства которых маскируются сложными взаимодействиями внутри ядра. Слабое и электромагнитное взаимодействия, которые на поверхности кардинально различаются: одно – близкодействующее, другое – дальнодействующее и вдобавок в тысячи раз сильнее первого, – на самом деле теснейшим образом связаны и отражают, по существу, разные грани одного и того же целого.

Это целое скрыто от нас из-за природной случайности, мы называем ее спонтанным нарушением симметрии, и она делает эти два взаимодействия – слабое и электромагнитное – отличными друг от друга в мире нашего опыта, скрывает их подлинную природу. Более того, свойства частиц, порождающих характеристики того прекрасного мира, который мы видим вокруг себя, возникают лишь благодаря этому спонтанному нарушению симметрии, которое оставляет безмассовой лишь одну частицу – фотон. Если бы нарушения симметрии не случилось и фундаментальные симметрии взаимодействий, управляющих веществом, проявлялись бы явно, – а это, в свою очередь, означало бы, что частицы, передающие слабое взаимодействие, тоже не имели бы массы, как и большинство частиц, из которых мы состоим, – то не появилось бы ничего из того, что мы видим сегодня во Вселенной: галактик и звезд, планет и людей, птиц и пчел, ученых и политиков.

Более того, мы уже знаем, что даже те частицы, из которых мы состоим, – не всё, что существует в природе. Наблюдаемые частицы объединяются в простые группы, или семейства. Из верхних и нижних кварков образуются протоны и нейтроны. Рядом с ними можно обнаружить электрон и его партнера – электронное нейтрино. Далее, по причинам, которых мы по-прежнему не понимаем, существует более тяжелое семейство, в которое входят очарованный и странный кварки, с одной стороны, и мюон со своим нейтрино – с другой. И наконец, как подтвердили эксперименты в последние десять – двадцать лет, существует третье семейство, в которое входят два новых типа кварков, называемых «прелестным» (b, beauty) и «истинным» (t, truth), а также сопутствующая им тяжелая версия электрона, называемая таоном (тау-частицей), со своим тау-нейтрино.

Помимо этих частиц, как я скоро расскажу, у нас есть все основания подозревать существование других элементарных частиц, которых пока никто не видел. Эти частицы, образующие, как мы считаем, загадочное темное вещество, на которое приходится большая часть массы нашей Галактики и всех видимых галактик, могут оказаться невидимыми для наших телескопов, но наблюдения и теории указывают на то, что галактики и звезды не смогли бы сформироваться без темного вещества.

И в самой основе сил, управляющих динамическим поведением всего, что доступно нашему взору, лежит очень красивая математическая конструкция, называемая калибровочной симметрией. Все известные нам взаимодействия – сильное, слабое, электромагнитное и даже гравитационное – обладают этим математическим свойством, и для первых трех из них именно оно гарантирует, что наши теории имеют математический смысл, а противные квантовые расходимости исчезают из расчетов всех величин, которые можно сравнить с экспериментально полученными данными.

За исключением электромагнетизма, все симметрии всех остальных взаимодействий остаются полностью скрытыми от наших глаз. Калибровочная симметрия сильного взаимодействия скрыта потому, что конфайнмент, предположительно, прячет от нас фундаментальные частицы, через которые эта симметрия проявляется. Калибровочная симметрия слабого взаимодействия не проявляется открыто в мире, где мы живем, потому что она спонтанно нарушена, в результате чего частицы W и Z стали чрезвычайно массивными.

Тени на стене повседневной жизни – действительно всего лишь тени. И в этом лейтмотив величайшей из когда-либо рассказанных историй, которая медленно разворачивается вот уже более двух тысяч лет с тех пор, как Платон впервые представил эту идею в своей аналогии с пещерой.

Но какой бы замечательной ни была эта история, две серьезнейшие проблемы никуда не делись. Два действующих лица нашего рассказа таковы, что до недавних пор можно было думать, что ее ключевые аспекты – всего лишь сказка, придуманная теоретиками с чрезмерно разыгравшимся воображением.

Во-первых, постулированные в 1960 г. для объяснения слабого взаимодействия W- и Z-частицы, почти в сто раз более массивные, чем протоны и нейтроны, оставались до недавнего времени всего лишь теоретическими конструктами, хотя косвенных свидетельств их существования хватало с избытком. Мало того, было предсказано существование невидимого поля – поля Хиггса, которое пронизывает все пространство, маскируя истинную природу реальности и делая возможным наше существование благодаря спонтанному нарушению симметрии между слабым и электромагнитным взаимодействиями.

Кажется сомнительным делом превозносить историю, которая, по ее же собственному заявлению, описывает, почему мы существуем, но в то же время указывает на невидимое поле, пронизывающее все пространство. Это больше напоминает религиозное торжество, а не научное. Чтобы надежно убедиться, что наши представления соответствуют реальности, а не тому, какой мы хотели бы эту реальность видеть, чтобы сохранить достоинство науки, мы просто должны были открыть хиггсовское поле. Только тогда мы смогли бы до конца разобраться, правда ли, что особенности нашего мира, которые мы столь ценим, – на самом деле не более чем особенности случайного ледяного кристалла в морозном узоре на окне. Или, если выражаться точнее, не превосходят по значимости разницы между сверхпроводящим состоянием проводника в лаборатории и нормальным сопротивлением проводов в моем компьютере.

Для решения этой задачи экспериментаторам пришлось приложить не меньше усилий, чем ранее теоретикам для разработки самой теории. Во многих отношениях задача эта была более масштабной: на ее решение ушло более пятидесяти лет и потребовалось создание самого сложного прибора, который когда-либо пытался построить человек.