Квантовый лабиринт. Как Ричард Фейнман и Джон Уилер изменили время и реальность

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

Ты говоришь: «кварки», я говорю: «партоны»

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.