Красота физики. Постигая устройство природы - читать онлайн книгу. Автор: Фрэнк Вильчек cтр.№ 66

Спасибо тебе, мать-природа, за эти подарки!

Очень трудно создать теории частиц и взаимодействий, которые были бы совместимы и с принципами квантовой механики, и с принципами специальной теории относительности. И это хорошо! Это означает, что, если мы верим в квантовую механику и в специальную теории относительности, мы получаем хороший рычаг для достижения нашей цели. Доступные теории весьма жесткие – их нельзя сильно изменить, не сделав их противоречивыми; это делает их сильными. И их не много; это позволяет держать их в сфере внимания.

С таким рычагом правильный факт может привести к огромным последствиям.

Илл. 34. «Дайте мне точку опоры, и я переверну мир» (Архимед)

Асимптотическая свобода оказывается именно таким фактом! Экспериментальное открытие того, что сильное взаимодействие между находящимися рядом кварками в конце концов не так уж сильно, было очень трудно согласовать с другими известными нам фактами. В большинстве теорий, которые не противоречат ни квантовой механике, ни специальной теории относительности, сходное отталкивает сходное, поэтому фокусировки сил не происходит. Противоположное поведение – когда взаимодействие становится сильнее на коротких расстояниях – намного более распространено. Поэтому, когда мы с Дэвидом Гроссом и независимо от нас Дэвид Политцер обнаружили, что это возможно, это был такой момент, который Каббала описывает как «Дрожь Завесы Храма», когда оболочка, которая сохраняет божественный мир сокрытым от нашего взора, сдвигается.

Мы с Гроссом продолжили, основываясь на нескольких других фактах – и главный из них заключался в том, что мы можем связать три кварка, чтобы сделать барион, где цветовые заряды взаимно нейтрализуются (правило отбеливания!), – поиск теории, которую мы теперь называем квантовой хромодинамикой (основанной на локальной симметрии и трехмерном пространстве свойств), которая стала бы единственно возможной теорией сильного взаимодействия. Даже теперь, когда я перечитываю наше заявление:

Я вновь переживаю смесь радостного возбуждения и беспокойства, которую почувствовал в то время. Сама КХД исторически стала первым подарком асимптотической свободы.

Уже в течение нескольких десятилетий считается правильным делить физику на две ветви: теория и эксперимент. Обе они в принципе стремятся к лучшему пониманию материального мира, но используют различные инструменты.

В последние годы, отмеченные взрывным ростом производительности компьютеров, появилась и процветает третья ветвь. Мы могли бы назвать ее «цифровым экспериментом», или «моделированием», или просто «решением сложных уравнений». Она сочетает элементы и теории, и эксперимента, но значительно отличается от обоих. Этот новый вид физики оказался особенно важен и успешен в КХД.

КХД предоставляет нам совершенно определенные уравнения, которым мы можем научить компьютеры. Как только мы это сделали, у нас появляется доступ к чрезвычайно быстрым, неустанным, честным и неуклонно точным помощникам, которые больше всего на свете любят вычислить. Давайте бегло посмотрим на два выдающихся результата, которые были достигнуты при помощи такого подхода. Они позволяют нам блестящим образом подвести итог нашему обсуждению сильного взаимодействия.

Во-первых, давайте возвратимся к вопросу, с которого мы начали: что представляют из себя атомные ядра? Сущность этого вопроса, как мы уже видели, заключается в его самом простом случае: что такое протон? Зная уравнения, которым он подчиняется, мы можем вычислить подробный портрет героя. Таким образом, мы обнаруживаем, что наше самое сокровенное вещество обладает красотой (вклейка PP) и утонченностью (вклейка QQ).

Наконец, в качестве подходящей кульминации нашего обсуждения КХД давайте задокументируем источник (большей части) массы. Скромно выглядящая илл. 35 резюмирует колоссальное научное достижение и является вехой для нашего Вопроса.

Илл. 35. Успешное вычисление масс адронов, основанное на КХД: источник (большей части) массы

На горизонтальной оси вы видите названия мезонов и барионов. Опять же, хотя об этих частицах можно много чего сказать и подробности будут захватывающими для специалистов, для текущих целей достаточно отметить, что существует множество адронов и у них есть различные названия (состоящие из различных греческих и латинских букв, иногда со звездочками или штрихами) и различные массы. Над каждым названием вы найдете горизонтальный отрезок, указывающий на экспериментально измеренное значение массы этой частицы. (Некоторые из частиц живут очень недолго, и это «размазывает» их массу по достаточно широкому диапазону. В таких случаях, например с частицей ρ, вы увидите серый прямоугольник, окружающий центральный отрезок.) Рядом с каждым отрезком есть затененные точки с вертикальными линиями, проходящими через них, – они обозначают расчетные значения массы частицы, полученные непосредственно из уравнений КХД различными исследовательскими группами. Вертикальные отрезки отражают диапазон неопределенности в вычислениях, внесенной ограничениями на машинное время и другими факторами. Я должен заметить, что эти вычисления чрезвычайно трудны. В них используются очень умные алгоритмы, и они проводятся на самых мощных вычислительных системах в мире в течение долгого времени.

Все результаты для «основных последовательностей» мезонов π, ρ, K, K*, η, η′, ω, φ и барионов N, Λ, Σ, Ξ, ∆, Σ*, Ξ*, Ω получаются в результате вычислений, если даны всего три входные величины: средние массы верхнего и нижнего кварков, масса странного кварка и единиц цветового заряда. Как можно видеть, согласие между измерениями и вычислениями поразительно.

Я хочу подчеркнуть, что из этих вычислений следует гораздо больше, чем закладывается в качестве входных данных. Уравнения КХД сильно ограничены симметрией, и в них мало возможностей для подстройки. Повторю, что для точного задания этих вычислений мы должны указать всего три входные величины: средняя масса верхнего и нижнего кварков, масса странного кварка и единица цветового заряда (общая мера силы взаимодействия). Поэтому, если что-то с чем-то не согласуется, там негде спрятаться! Мы непременно должны найти в результате наших вычислений все адроны, которые наблюдаются, с теми массами, которые они имеют согласно наблюдениям. И, самое важное, мы не должны найти ничего такого, что бы не наблюдалось, – в частности, мы не должны найти изолированных кварков или глюонов!