Квантовая хромодинамика

Английский физик Поль Адриен Морис Дирак (1902—1984) проявил интерес к теории относительности Эйнштейна еще в студенческие годы. Поступив в кембриджскую аспирантуру, он узнал, что немецкий ученый В. Гейзенберг и австрийский физик Э. Шрёдингер описали поведение атомов и движение элементарных частиц вроде электрона на основе квантовой теории — то есть создали квантовую механику. Дирак внимательно ознакомился с исследованиями зарубежных коллег и обнаружил большой изъян в их концепции: она работала лишь в случае частиц с низкой, сравнительно со световой, скоростью, из-за чего законы теории относительности Эйнштейна не соблюдались. Для того чтобы с ускорением возросла масса частицы, необходимо приблизить ее скорость к световой.

Отказавшись от изучения целой системы разнозаряженных частиц, Дирак сконцентрировался на единичном электроне и написал для него уравнение движения, однако результат вычислений получился совершенно неожиданным. Как оказалось, у электрона есть дополнительная степень свободы, которая позволяет ему получить отрицательную энергию. Это казалось невероятным, и ученый чуть было не бросил все свои изыскания, но все же решил попытаться разобраться в вопросе.

Поразмыслив, Дирак высказал догадку, что во Вселенной плотность электронов огромна. Располагаются они на отрицательных энергетических уровнях и составляют фон, недоступный для наблюдений. Там, где все уровни заняты, образуется абсолютная пустота. Незаполненные же уровни имеют положительную энергию, поскольку им не хватает электрона с отрицательной энергией, а на его месте зияет «дыра», которую можно считать положительной частицей. Дирак предложил поместить в «дыре» между отрицательными электронами позитрон. Только такие частицы он считал видимыми.

Более того, продолжая исследования, Дирак открыл, что столкновение двух электронов — с положительной и отрицательной энергией — дает два фотона, которые расходятся в противоположные стороны. И наоборот, когда высокоэнергетические фотоны сталкиваются с тяжелыми ядрами, рождаются пары электрон/антиэлектрон с положительной энергией и противоположными зарядами. (К слову, антиэлектрон, или позитрон, был обнаружен К. Д. Андерсеном в 1932 г.)

В 1928 г. на базе своих выводов Дирак написал новое уравнение, в котором были учтены результаты экспериментов: спин — скорость и направление вращения частицы, а также магнитные свойства (магнитный момент) электрона. И все же уравнение Дирака не касалось поведения частиц с очень большой энергией и высокой скоростью. Пытаясь заполнить этот пробел, ученые поступательно обобщили постулаты квантовой механики и разработали квантовую теорию поля, согласно которой частицы возмущают электромагнитные поля, и те помогают им взаимодействовать. Как? Частицы попросту «перебрасываются» квантами полей, поглощая и испуская порции энергии. При этом частиц может быть сколь угодно много, и вариантов движения (степеней свободы) тоже масса. Впрочем, скоро стало понятно, что большинство квантовополевых вычислений стремятся к бесконечности, и объединение квантовой механики с теорией относительности оказалось под вопросом.

В 1940-х появились более совершенные методы исследований, и это дало возможность американскому физику Уиллису Лэмбу обнаружить расщепление энергетических уровней атома водорода на тонкие линии. Измерения показали, что соседние уровни, вопреки утверждениям Дирака, не совпадают, а магнитный момент электрона аномально высок по сравнению с данными уравнения Дирака.

В 1947 г. немецкий ученый Ганс Бете рассчитал сдвиг, на который указал Лэмб, и его результаты совпали с опытными. Что же сделал Бете? Он рискнул подставить в уравнение точно измеренные массу и заряд электрона, и в итоге получилось конечное выражение, удивительно соответствующее эксперименту. Такая хитрость была названа перенормировкой.

Работа Лэмба и Бете позволила Ричарду Фейнману, Джулиану Швингеру и Синъитиро Томонага за последующие несколько лет завершить формирование квантовой электродинамики, изучающей взаимодействие заряженных частиц (скажем, позитронов и электронов) в процессе обмена квантами электромагнитного поля — фотонами.

А в конце 1970-х американские физики Дэвид Гросс, Дэвид Политцер и Фрэнк Вильчек открыли асимптотическую свободу, которая предполагает существование некой странной силы, ослабляющей взаимодействие между частицами по мере их сближения и возрастающей по мере отдаления частиц. Это объяснило, почему мельчайшие составляющие атомов, кварки, не могут существовать в свободном состоянии — ведь чем дальше они отлетают один от другого, тем мощнее между ними притяжение. Данное открытие подтолкнуло ученых к разработке новой теории ядерных взаимодействий — квантовой хромодинамики (КХД).

КХД стала логическим продолжением квантовой электродинамики (КЭД). Вот только кварки взаимодействуют между собой не потому, что обмениваются порциями энергии, а посредством цвета: красного, желтого или синего. Конечно, это условные понятия, и выражение «кварк имеет какой-либо цвет» означает примерно то же, что «позитрон имеет положительный заряд». В отличие от классической физики, где сила подразумевает отталкивание либо притяжение, квантовая рассматривает силу как «пинг-понг» частицей. Кварки могут взаимодействовать, перебрасываясь одной из восьми частиц-глюонов (от англ. glue ― клеить). Этот процесс можно сравнить с игрой в бадминтон или волейбол, когда игроки удерживаются на поле воланом/мячом. И если фотоны в КЭД не имеют электрического заряда, то глюоны заряжены определенным цветом, а потому способны менять цвет кварков. (Как будто у игроков при перебрасывании мячом меняется цвет волос.) Так, если глюон был заряжен положительным красным и отрицательным синим, то синий кварк, поглотив его, покраснеет, но совокупный цветовой заряд останется неизменным.

Согласно главному принципу КХД, кварки соединяются так, чтобы итоговый цвет получился нейтральным. Такие частицы, как барионы (в том числе протоны и нейтроны), состоят из красного, синего и желтого кварков, которые гасят один другой; мезоны — из пары кварк + антикварк, которая тоже не дает цвета.

Данная теория (она получила название калибровочной) базируется на законах симметрии и независимости полей и частиц от каких-либо внешних изменений. Так, если в системе вдруг поменяются местами отрицательный и положительный заряды, взаимодействия между частицами останутся прежними.

Разрабатывая КХД, ученые все ближе подходят к пониманию сути вещей. К примеру, с точки зрения квантовой теории, масса человека — это совокупная масса протонных и нейтронных ядер углерода и других атомов, из которых «построено» наше тело. Но все частицы состоят из кварков, а у тех вовсе нет массы, есть только энергия, то есть человеческое тело по своей сути — это чистая энергия. Массу частиц обеспечивает энергия кварков, носящихся с неимоверной быстротой в шарике атома, а шарик не распадается благодаря тому, что при отдалении кварков сила притяжения между ними растет. Все это означает, что человек является замкнутой кинетической энергией кварков и глюонов.

Исследуя взаимодействия кварков при очень высоких температурах, энергиях и плотностях, ученые пытаются выяснить, как родилась наша Вселенная. Так, высказываются предположения, что на заре мира вся материя существовала в иной форме — расплавленной, жидкой, состоящей из отдельных кварков и глюонов. Попросту говоря, это был раскаленный огненный шар, где ядра постоянно сталкивались между собой и кварки выскакивали из протонов, образуя кварк-глюонную жидкость. Подобную жидкость физики намереваются исследовать, а между тем остается еще немало вопросов, для ответов на которые понадобятся тысячелетия.