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