С какими трудностями столкнулась физика в середине ХХ века? Почему в лаборатории нельзя наблюдать отдельный кварк? И что на самом деле составляет массу тела? Об этом рассказывает лауреат Нобелевской премии по физике Дэвид Гросс.

ПостНаука благодарит Российский Квантовый Центр за помощь в организации интервью.

В 2011 году исполнилось сто лет со дня рождения ядерной силы. Сто лет назад, в 1911 году Эрнст Резерфорд открыл, что у атомов есть сердцевина, которую он назвал ядром. До этого было не очень понятно, чем, собственно, атомы являются. Учёные знали, что внутри них существуют электроны, крошечные носители электрического заряда, но их структура была неизвестна.

Резерфорд произвёл бомбардировку атомов альфа-частицами, которые представляют собой ядра гелия, измерил отклонения этих тяжёлых ядер и понял, что единственный способ объяснить результаты — это предположить, что центральная часть атома — это маленький сгусток всей его массы и всего положительного заряда.

За прошедший век мы проводили исследования и пытались понять, что же происходит внутри ядер атомов. Это чрезвычайно сложно, потому что нельзя просто так взять и заглянуть внутрь атома. Приходится вслед за Резерфордом бить по нему разного рода снарядами, другими частицами, и смотреть, что происходит при этих столкновениях.

Это был долгий путь, но вот уже более тридцати лет назад мы, как нам кажется, нашли разгадку. Теперь мы способны понять те силы, что действуют внутри ядра. А кульминация этого столетнего путешествия (а возможно, и тысячелетнего) — это очень подробная картина всех сил природы, что мы видим вокруг. Существует, конечно, сила гравитации, которую мы все ощущаем, электромагнитная сила, которая притягивает заряженные частицы и управляет радиоволнами и светом, а также есть две загадочные силы, что действуют внутри ядер атомов. Их сложнее понять, потому что речь идёт о расстояниях в миллион раз меньше, чем размер самого атома.

Только после Второй мировой войны стали строить большие ускорители частиц, с помощью которых можно исследовать структуру ядра. И вот, во второй половине ХХ века обнаружили, что, по всей видимости, нуклоны — частички, из которых сделаны ядра атомов, то есть протоны и нейтроны — состоят из ещё более мелких и фундаментальных частиц, которые получили имя кварков. Однако это выглядело очень странно, потому что никто никогда не видел в лаборатории отдельный кварк. Теперь мы понимаем, что это вообще невозможно. Тем не менее, считается, что протон и нейтрон состоят из кварков. Протон — это три кварка, соединённых таким образом, что вынуть их из него невозможно.

Так обстояли дела, когда я ещё студентом пришёл в физику. Картина была очень неясная. Однако всё запуталось ещё больше, когда провели эксперименты по бомбардировке протонов электронами (на которые не влияет сильное взаимодействие, но влияет электромагнитное), чтобы выяснить, как электроны будут взаимодействовать с тем, что составляет протон. Оказалось, то есть результаты могли быть интерпретированы таким образом, что протон на самом деле состоит из трёх кварков, которые движутся так, будто никакие силы между ними не возникают. Это само по себе казалось странным, но как объяснить ещё и тот факт, что кварки невозможно вытащить из протона?

Если ударить по атому, вылетит электрон, который может перемещаться по проводам, да и вообще с электричеством можно делать что угодно. Но кварк из атома достать невозможно вне зависимости от того, какой силы удар вы нанесёте. Проводили исследования на всё более и более высоких энергиях, со всё более и более сильными столкновениями — и никаких кварков. Однако результаты этих экспериментов выглядели так, будто кварки свободно перемещаются внутри протона.

Ясность внесло наше открытие того, что мы назвали асимптотической свободой. Она означает, что существуют силы природы (на самом деле только одна — обнаруженная нами — сила) с очень странными и необычными свойствами: взаимодействие между двумя частицами становится всё слабее и слабее по мере того, как они приближаются друг к другу, а по мере отдаления оно возрастает.

Это совершенно противоречит интуиции. Обычно сила становится слабее, когда вы что-то отдаляете друг от друга. Но в этом случае всё как раз наоборот, что было удивительно и привело нас к совершенно особой теории ядерных сил, которая сейчас называется квантовой хромодинамикой (КХД). Не так-то просто объяснить, как всё это работает, но мы понимаем в подробностях, откуда возникают эти явления. Это связано со свойствами квантового вакуума, в котором бурлят виртуальные частицы и происходят квантовые флуктуации. Теперь мы разобрались в этих вопросах, и с помощью этой теории мы можем очень многое сказать о том, что происходит на этих очень маленьких расстояниях, когда сила становится слабой. Мы также поняли, почему кварки не могут отделиться: потому что при попытках разделить их сила становится всё больше и больше — настолько большой, что это становится невозможным.

Эта теория — а её разрабатывают уже несколько десятилетий — стала чрезвычайно мощной и полезной в физических исследованиях и для понимания того, из чего мы сделаны. Например, вы, наверное, не знаете, по какой причине что-то весите. Когда вы встаёте каждое утро на весы и восклицаете: «О боже! Я набрал ещё килограмм», — что составляет эту массу? Она не существует сама по себе, это масса всех протонов и нейтронов ядер углерода и прочих атомов, что есть в вашем теле. Но откуда она берётся? Протоны и нейтроны состоят из кварков. Значит ли это, что она является суммой массы кварков в вашем теле?

Кварки почти не обладают массой! Вовсе не они составляют вес вашего тела, а энергия. Таким образом, вы — существо из чистой энергии. Энергия, по Эйнштейну, является просто мерой массы, а масса — это энергия тела и всего остального. Масса протона — это энергия его кварков, которые носятся с огромной скоростью, почти со скоростью света, туда-сюда в крохотной сферической области. Эта сфера существует потому, что, когда кварки разлетаются слишком далеко, дальше радиуса сферы, сила между ними становится очень сильной. Иными словами, вы представляете собой замкнутую кинетическую энергию кварков и так называемых глюонов — квантов силы внутри этой области, в которой наблюдается явление, как говорят, конфайнмента, — и эти частицы, что там носятся, связаны силой, которая делается сильнее по мере их удаления друг от друга. Когда вы взвешиваетесь по утрам, приятно думать, что каждый приобретённый килограмм — это килограмм энергии!

Мы полагаем, что квантовая хромодинамика — бесспорно, верная теория ядерной силы. Это, так сказать, богатая теория, куда богаче, чем теория электромагнетизма. Уравнения КХД можно записать на половинке футболки, но решить их совсем непросто. Существует очень много чрезвычайно интересных вопросов о ядерном веществе, над которыми мы ещё работаем и, несомненно, будем работать в ближайшие сотни лет. До сих пор ведутся работы над созданными два века назад уравнениями, которые описывают гидродинамику, и всё равно есть много нерешённых проблем: турбуленция или возможность точно предсказывать погоду. То же верно и для квантовой хромодинамики. Уравнения КХД более красивые и богатые, и виден огромный прогресс в их решении, но всё это займёт столетия. И мы продолжаем нашу работу, потому что мы полагаем, что знаем базовые законы и уравнения царства физики.

В тех областях, где изучаются взаимодействия кварков при очень высоких температурах, или высоких энергиях, или высоких плотностях, наблюдается падение силы, а когда что-то слабеет, это легче изучать. Сделаны огромные успехи: мы можем, например, понять историю Вселенной вплоть до самых первых микросекунд, когда температура Вселенной была так высока, а плотность так велика, что ядерная материя претерпевала фазовые изменения. Мы считаем, что в ранней Вселенной ядерная материя существовала в другой фазе. Примерно как происходит таяние льда, если поднять температуру, повышение температуры комнаты, где вы находитесь, до ста миллионов градусов приведёт к тому, что нуклоны в вашем теле растают до отдельных кварков. Вы будете состоять из, так сказать, кварковой и глюонной жидкости, что можно наблюдать экспериментально при столкновениях ядер на очень высоких энергиях. Получается чрезвычайно горячий огненный шар, и на очень короткое время кварки выходят из протонов и образуют кварк-глюонную жидкость, свойства которой мы сейчас пытаемся понять в подробностях.

Существует ещё много нерешённых вопросов, которых всем областям физики хватит, возможно, на века.