Квантовый лабиринт. Как Ричард Фейнман и Джон Уилер изменили время и реальность - читать онлайн книгу. Автор: Пол Халперн cтр.№ 70

Но когда он поднялся на кафедру и объяснил, почему одет так формально¹¹⁹, аудитория завопила: «Нет, нет, нет!» Вайскопф, подчиняясь гласу народа, подошел к гостю и снял с него пиджак. Галстук Фейнман стащил сам, почувствовал себя комфортно, и с тех пор к теме одежды не возвращался.

Статус нобелевского лауреата был по большей части головной болью для Фейнмана. Его завалила лавина приглашений на разные мероприятия, и почти все он отверг. Несколько исключений пришлись на образовательные учреждения, например, школы, или на выступления о физике перед широкой публикой (некоторые появились на ТВ и стали популярными программами на ВВС и других каналах).

Ему предложили много почетных званий, но Фейнман от всех отказался.

Он помнил, как тяжело шла его работа в Принстоне ради докторской степени, и не хотел принизить ее значение, получив степени, которых не заслужил.

Фейнман вернулся в Калтех заслуженным, но не восторженным лауреатом, обретя мотивацию к новым открытиям. Если вспомнить четыре фундаментальных силы, то он внес вклад в квантовую теорию электромагнетизма, слабого взаимодействия и сделал отважную попытку распутать тайны гравитации.

Следующим в списке стояло сильное взаимодействие, сила, противостоящая электростатическому отталкиванию, связывающая вместе протоны и нейтроны в атомном ядре. Изучение этой силы прошло длинный путь со времен Хидеки Юкавы, были открыты многие другие частицы, подвергавшиеся ее влиянию. Все они были классифицированы как адроны (от греческого слова «массивный»), частицы же, не реагирующие на сильное взаимодействие – как лептоны (от греческого «легкий»).

Адроны в соответствии со значением спина поделили на барионы (полуцелый спин, в их число входят протоны и нейтроны) и мезоны (целый спин, включая пионы и каоны). Образцами лептонов являются нейтрино, электроны и мюоны, и все они игнорируют сильное взаимодействие полностью.

Чтобы получить отчет о прогрессе в этой области, Фейнман мог заглянуть на собственный факультет, где главным исследователем был Гелл-Ман. Он к тому времени получил признание за два открытия: Восьмеричный путь и кварки. Восьмеричный путь он назвал по состоящему из восьми шагов пути к просветлению в буддизме, и это имя он предложил для схемы классификации адронов, которая распределяла их по нескольким параметрам, включая заряд и квантовое число, именуемое «странностью», обнаруживающее себя в определенных типах распада. Упорядочение открыло определенные закономерности и симметрии.

В то время как некоторые группы содержали по восемь адронов – отсюда имя – другие включали одну, десять или двадцать семь. В схеме имелся пробел, и его наличие позволило предсказать существование новой частицы. В 1964 году исследователи из национальной лаборатории Брукхэйвена обнаружили предсказанную частицу, названную «омега-гиперон». Тем самым они заполнили модель и обеспечили важное доказательство того, что гипотеза Гелл-Мана верна. Это был настоящий триумф приложения принципа симметрии к физике частиц.

В тот год Гелл-Ман продемонстрировал, как его схема может быть объяснена, если барионы состоят из трех типов составляющих, расположенных в различных комбинациях, словно карты в покерной сдаче. Он взял название для этих составляющих из чуть ли не самой непонятной книги в истории литературы, «Поминки по Финнегану» Джойса, из романа, написанного как поток сознания, в котором есть фраза «три кварка для мистера Марка». Гелл-Ману понравилось звучание слова, которое он произносил скорее как «кварт», и он отметил, что в любом барионе есть три таких. Сложность состояла в том, что каждый обладал дробным зарядом, либо 2/3, либо –1/3 заряда протона. Антикварки, что логично, имели противоположные заряды. Подобные дробные заряды не были никогда зафиксированы в природе, хотя если предположить, что кварки всегда находятся в связанном состоянии, то это не выглядит проблемой.

Физик Джордж Цвейг, работавший над проблемой независимо, почти в то же самое время предложил схожую схему, только назвал компоненты «тузами».

Фейнман тоже заинтересовался идеей, что протоны и нейтроны состоят из неких составляющих. Он знал о модели Гелл-Мана, но целиком дистанцировался от нее, и когда «Нью-Йорк Таймс» в статье «Два человека в поиске кварка», опубликованной в октябре 1967, предположила, что они работают вместе, он ответил письмом в редакцию: «Хотя и сделал многое из того, что упоминается в вашей статье, я на самом деле не несу ответственности за то, что ученые начали думать о кварках. Это стало результатом выдающейся идеи Гелл-Мана, к которой он пришел, работая совершенно независимо»¹²⁰.

Фейнмана интересовала не классификация кварков, а скорее феноменология, результаты столкновения частиц. Из разрозненных данных он делал те же самые выводы, что и Гелл-Ман: что адроны состоят из более фундаментальных «кирпичиков». Он показал, что это должны быть точечные частицы, подобные электронам, но подверженные влиянию сильного взаимодействия. Возможно, из духа соперничества с коллегой по Калтеху он назвал эти объекты «партонами», а не кварками.

Партоны в концепции Фейнмана больше походили на стандартные фундаментальные частицы, в то время как кварки Гелл-Мана представали более аморфными. Статью с изложением своей схемы Ричард опубликовал в 1969 году.

Термин «партон» имел некоторое хождение в 70-х, но победило более причудливое словечко «кварк». Мы теперь знаем, что существуют шесть «ароматов» (разновидностей) кварков: нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный и истинный. Они значительно отличаются по массе, верхний и нижний – легчайшие и наиболее распространенные. Обычные ядра атомов состоят только из них. Другие ароматы более экзотичны, их находят в космическом излучении и «обломках», что остаются после столкновения частиц с высокой энергией.

Все адроны, существующие в природе или воспроизводимые в коллайдерах, являются комбинациями шести ароматов кварков и их противоположностей-антикварков. Барионы – это три кварка, мезоны – дуэты кварка и антикварка; например, протон – верхний, верхний и нижний кварки, нейтральный каон – смесь нижнего-антистранного и странного-антинижнего.

Когда ученые работали над теорией квантового поля кварков, они использовали квантовую электродинамику и метод диаграмм Фейнмана. Они ввели новую частицу обмена, названную «глюон», способную переносить сильное взаимодействие точно так же, как фотоны переносят электромагнетизм. Диаграмма Фейнмана представляет глюон в виде спирали.

Оскар Гринберг, студент Уилера по курсу общей теории относительности, когда они посещали Эйнштейна, придумал жизнеспособный способ описания эквивалента электрического заряда для сильного взаимодействия: цветовой заряд. Каждый кварк может обладать либо красным, либо зеленым, либо голубым зарядом, а барион комбинировать все три. Это вовсе не настоящие цвета, термин условный точно так же как «аромат», и не имеет ничего общего с реальной окраской.

Квантовая теория сильного взаимодействия стала известна под именем квантовой хромодинамики (КХД).