Удивительные числа Вселенной - Антонио Падилья

Возможно, это была насмешка над Гелл-Манном. У этих двух ученых, офисы которых в Калифорнийском технологическом институте находились всего в нескольких дверях друг от друга, были непростые отношения. Фейнман часто высмеивал страсть Гелл-Манна к тому, чтобы давать названия вещам. Однажды он рассказал историю о том, как Гелл-Манн пришел к нему в пятницу, отчаянно пытаясь придумать хорошее название для нового типа частиц в своей работе. Фейнман дерзко предложил назвать их словом quack («шарлатан, обманщик»). В следующий понедельник взволнованный Гелл-Манн подошел к нему и сказал, что нашел идеальное слово, увидев в романе Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану» фразу: «Три кварка для мастера Марка».

Так что не предложенный Фейнманом quack, а quark.

Возможно, Гелл-Манн Фейнману и не нравился, однако нет сомнений, что Фейнман чрезвычайно его уважал. В 2010 году мне выпала честь побывать на конференции в Сингапуре, посвященной восьмидесятилетию Гелл-Манна. Она собрала множество звезд, — во всяком случае, так казалось фанату физики вроде меня. Помимо Гелл-Манна, присутствовали еще три лауреата Нобелевской премии: Герард Хоофт, с которым мы познакомились в главе «TREE(3)», ученик Гелл-Манна Кеннет Вильсон и китайский физик Янг Чжэньнин, также известный под именем Фрэнк Янг (которое он взял в честь американского ученого Бенджамина Франклина). Там был и Джордж Цвейг. И все же, хотя Гелл-Манна окружало множество самых острых умов из новейшей истории физики, он выделялся на их фоне. Он излучал такие уверенность и интеллект, которых я никогда не видел ни до, ни после. Признаюсь, я был немного одержим знаменитостями. Гелл-Манн на тот момент был последним представителем золотого поколения физиков. Человеком, который препирался с Фейнманом в Калифорнийском технологическом институте, который в сорок лет стал лауреатом Нобелевской премии, а в последующие годы легко мог получить еще две или три. Его интеллектуальные способности намного превышали способности обычных людей. К девяти годам он запомнил Британскую энциклопедию, а во взрослом возрасте свободно говорил по крайней мере на тринадцати языках.

Кварки Гелл-Манна — строительные блоки для всей материи наряду с другим семейством фермионов, известных как лептоны. К лептонам относятся электрон и его более тяжелые собратья, мюон и тау-лептон, а также восхитительно названные нейтрино, с которыми мы встретимся чуть позже, когда будем говорить о слабом ядерном взаимодействии. Хотя лептоны и кварки имеют много общего, у них есть очень важное различие. Лептоны невосприимчивы к сильному ядерному взаимодействию. Они вообще не могут в нем участвовать. А вот кварки находятся в его плену. Сильное взаимодействие связывает их вместе, навеки заключая внутри адронов. В отличие от лептонов, кварки никогда не могут оказаться свободными. Это проклятие конфайнмента[114]. Конфайнмент означает, что вы никогда не найдете кварк, блуждающий в одиночестве по космосу. Он всегда будет прикован цепями к другим кваркам в клетке протона, нейтрона или какого-либо иного адрона. Эти цепи состоят из глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие и лишающих кварки свободы.

Глюоны — тюремщики не только для кварков, они также лишают свободы друг друга. Они притягивают и другие глюоны, и кварки, стягивая силовые линии, и в итоге конфайнмент удерживает их всех. Вот почему мы не видим сильного взаимодействия в нашей макроскопической жизни. Несмотря на то что глюон не имеет массы, конфайнмент удерживает эту силу внутри ядра. Пока мы еще не понимаем процесс полностью: эта проблема — одна из семи задач тысячелетия, установленных Математическим институтом Клэя[115]. За ее решение назначена премия в миллион долларов, так что если вы сможете справиться с нею, то станете богатым.

Разумеется, именно Гелл-Манн и его сотрудники в начале 1970-х собрали воедино известные человечеству факты. Поскольку атрибут кварков и глюонов назвали цветом, эта теория стала известна как квантовая хромодинамика, для краткости — КХД. Ее семена были посажены несколько десятилетий назад, когда Фрэнк Янг (один из делегатов на конференции в Сингапуре) и его американский коллега Роберт Миллс придумали причудливую версию электромагнетизма, которая сейчас называется теорией Янга — Миллса. Эта новая теория содержала собственную промежуточную частицу, новый калибровочный бозон, который можно было считать более сложным родственником фотона. Когда Янг делал доклад в Принстоне, Паули спросил его о массе этой предполагаемой новой частицы. Для Паули этот вопрос имел решающее значение, поскольку такой частицы никогда не видели. Янг сказал, что не знает ответа. Паули настаивал, и Янг был настолько ошеломлен этой яростной атакой, что прекратил доклад и сел в первый ряд. Ситуация была крайне неловкой. После вмешательства Оппенгеймера Фрэнк продолжил выступление, а Паули больше не вмешивался, но на следующий день отправил Янгу записку с сожалениями, что не удалось поговорить после семинара. Сейчас мы знаем ответ на вопрос Паули. Благодаря задействованным симметриям переносчик Янга вообще не имеет массы. Немного подкорректировав симметрии, но не массу, Гелл-Манн отождествил эту новую частицу с глюоном — цепью, которая связывает вместе протоны, нейтроны и ядро атома в целом. Это был переносчик сильного взаимодействия.

Слабое ядерное взаимодействие

У слабого ядерного взаимодействия незавидное место рядом с другими, у которых гораздо более впечатляющие названия: гравитационное, сильное, электромагнитное. Ирония судьбы в том, что слабое взаимодействие как раз не самое слабое из четырех фундаментальных взаимодействий. Это бесчестье выпало гравитации, которая более чем в триллион триллионов раз слабее[116].

Конечно, слабое взаимодействие не так сильно, как сильное ядерное взаимодействие или даже электромагнетизм, но пусть это вас не смущает. Оно — солнечный свет субатомного мира. Причем в буквальном смысле: именно слабое взаимодействие отвечает за животворный свет нашего светила. Когда два ядра атомов водорода соединяются внутри солнечного ядра, есть шанс, что один из этих двух протонов превратится в нейтрон, что позволит появиться дейтрону — ядру дейтерия, тяжелой формы водорода. Это первый шаг в процессе ядерного синтеза, который позволяет Солнцу генерировать столько энергии. Как мы вскоре увидим, именно слабое взаимодействие позволяет протонам и нейтронам превращаться друг в друга. Это сила радиоактивности.

Как часто бывает в физике, все началось с головоломки. Накануне Первой мировой войны молодой британский физик по имени Джеймс Чедвик отправился в Берлин, чтобы поработать с Хансом Гейгером. Гейгер недавно разработал свой знаменитый счетчик, и Чедвик использовал его для исследования спектра излучения, которое появляется в результате ядерного процесса, названного бета-распадом. В