Фейнман. Квантовая электродинамика

В 1950-е годы физика сталкивается с новой проблемой: необходимо навести порядок среди огромного количества новых частиц, которые продолжают открывать ускорители. Другая задача: изучить взаимодействия между ними, в частности слабое взаимодействие, отвечающее за распад нейтрона. После отступления в сторону, в физику конденсированного состояния, Фейнман снова готов заняться исследованиями в своей любимой области. Чтобы это сделать, ему необходим важный союзник — Марри Гелл-Ман.

Журнал Nature опубликовал 20 декабря 1947 года две фотографии, представляющие два явления, названные «V», ввиду их характерной формы. Такие явления происходят, например, когда нейтральная частица, без заряда (которая не оставляет никакого следа в пузырьковой камере), распадается на две частицы с противоположными зарядами (оставляющие следы). Это то, что мы видим на первом фото. Второе показывает траекторию заряженной частицы, которая в определенный момент резко меняет направление. Опытному физику это говорило о наличии заряженной частицы, распавшейся на две: с одной стороны, нейтральная частица (которая не оставила фиксируемого следа своего движения) и, с другой стороны, частица с таким же зарядом, но с массой, отличной от массы главной частицы (откуда происходит изменение ее траектории). Что же именно вело себя таким образом?

Частица была названа «Л» («лямбда»), а что привлекало внимание, так это ее более долгая жизнь, чем можно было ожидать. В среднем срок жизни частиц, которые участвуют в сильном взаимодействии, составляет 10^-24 секунды, а срок жизни частицы A составил 10^-10 секунд. И, что еще интересней, это была единственная частица, которая вела себя подобным образом. Это становится настолько важной темой, что Международный конгресс о космическом излучении 1953 года (проходивший с 5 по 11 июля во французском городе Баньер-де-Бигор) был почти полностью посвящен новым частицам, которые уже окрестили «странными». Общий ход мысли на данном форуме был отражен на первой странице его протокола: «Частицы, обсуждаемые на этом конгрессе, нельзя назвать вымыслом, и любая аналогия с частицами, существующими в природе, не случайна». Для четырех сотен присутствующих физиков все происходящее было очень важно. Существование «странных» частиц было просто возмутительным. «Все равно как если бы природа позволила себе фантазировать, как если бы новые явления смогли существовать, не участвуя на самом деле в мировом порядке»,— прокомментировал ситуацию француз Мишель Крозон. В конце конгресса молодой физик Марри Гелл-Ман, из университета Чикаго, представил концепцию странности, нового свойства субатомных частиц. Что она из себя представляет? И, что еще более важно, как ее встроить в существующие схемы?

Родившийся 15 сентября 1929 года в Нью-Йорке, Марри Гелл-Ман в возрасте 14 лет был назван «самым прилежным учеником» своими же товарищами по школе Columbia Grammar, расположенной в Верхнем Вест- Сайде Манхэттена. С самого юного возраста будущий ученый проявлял большой интерес к лингвистике, настолько сильный, что со временем стал экспертом по фонетике. Однажды Фейнман репетировал несколько строчек на самоанском языке для роли вождя племени в музыкальной комедии «Южный Тихий океан», которую они готовили в Калтехе. При этом он как-то сказал своему другу: «Марри будет единственным, кто знает, что произношение у меня неважное».

Король Швеции Густав VI Адольф приветствует Марри Гелл-Мана (справа) после вручения ему Нобелевской премии по физике в 1969 году.

Именно в университете Гелл-Ман начинает видеть свое призвание в изучении физики. Поступить в университет ему оказалось непросто, несмотря на то что в школе Гелл-Ман считался вундеркиндом: Йельский университет принял его только на математическое отделение, Гарвард — лишь при условии полной оплаты, а Принстон решительно ему отказал. При таких обстоятельствах он решает учиться в МТИ, куда и поступает в 1948 году, в эпоху, когда квантовая электродинамика становится популярной. Его наставник, Виктор Вайскопф, сказал ему, что будущее принадлежит Фейнману, поэтому Гелл-Ман начинает кропотливо изучать все его статьи. В результате изучения предмета у него складывается сугубо личное видение ученого мира КЭД: Фейнмана он считает прямолинейным, Швингер кажется ему пустым и чопорным, а Дайсон — ординарным и небрежным. В 21 год, после получения своей докторской степени, он уезжает работать с Ферми в Чикагский университет. В это время исследователи физики частиц должны были навести порядок в результатах, предоставленных ускорителями частиц: по мере того как они продвигались в своей работе, появлялись все новые частицы. Положение в данной области довольно запутанное: в журнале Review of Modern Physics финн Мэтт Росс описал 41 различную частицу. Говорить об «элементарных частицах» после этого просто смешно.

Странность

Вот уже десяток лет физики думали о том, как лучше объяснить четыре фундаментальные взаимодействия природы: гравитационное, управляющее миром планет и звезд; электромагнитное взаимодействие, отвечающее за химические реакции и электрические процессы; сильное взаимодействие, которое поддерживает вместе протоны и нейтроны в атомном ядре, а также слабое взаимодействие, объясняющее бета-распад. Каждое из них играло свою четко обозначенную роль. Тем не менее ускорители начинали открывать частицы Λ в значительных количествах. Как объяснить то, что в хорошо организованном мире частиц имелась одна, за создание которой отвечает сильное взаимодействие, тогда как ее распадом, возможно, управляет слабое? Чтобы разъяснить этот момент, Гелл-Ман в 1952 году постулировал существование новой фундаментальной характеристики субатомного мира, которую он вначале назвал у. Речь шла о новом виде заряда. И именно в этом заключался революционный характер его теории: этот заряд у не вел себя как электрический заряд. В случае последнего, независимо от того, что может внезапно произойти в мире, электрический заряд сохраняется. То есть, если в начале любого процесса общий заряд системы равен нулю, то окончательный заряд тоже будет равен нулю. Как следствие, нейтрон, который является нейтральной частицей, распадается на протон (с положительным зарядом), электрон (с отрицательным зарядом) и антинейтрон (без заряда). В то же время, в случае заряда г/, Гелл-Ман настаивал на том, что он сохранялся... иногда. Его предположение, которое ученый развернул в нескольких статьях, опубликованных с августа 1953 года, заключалось в том, что у сохранялся при сильном взаимодействии, но не при слабом.

Во всех наших знаниях о фундаментальной физике не существует важной идеи, которая не носила бы имени Гелл-Мана.

Заявление Фейнмана в знак уважения к работе Гелл-Мана

Гелл-Ман представил следующий аргумент: так как у сохраняется, частицы, созданные распадом, должны появиться в виде пар частица-античастицы с зарядами, равными по значению, но с противоположными знаками. Частицы были бы постоянные, так как создание не-странных частиц противоречило бы законам сохранения, при условии, что в процессе участвует сильное взаимодействие. Но если мы имеем дело со слабым взаимодействием, ответственным за распад нейтрона, то законы сохранения не действуют и частицы смогут распадаться. Кроме того, по той же причине их средний срок жизни будет более продолжительным — именно то, что мы и наблюдаем.

Гелл-Ман отдавал себе отчет, что квантовое число у могло в равной степени служить для классификации частиц. Чем оно больше, тем невероятней прогноз: частица К⁰, или каон (нейтральный), должна иметь античастицу, отличную от нее. Это предположение было достаточно непривычным: до сих пор считалось, что античастицы нейтральных частиц, например фотона, тождественно совпадают со своей частицей. Когда выяснилось, что Гелл-Ман был прав, этот молодой физик, будущий лауреат Нобелевской премии, стал знаменитым. Следующий его шаг заключался в нарушении неписанной традиции именования новых частиц: он отождествил имя с квантовым номером, названным «странностью», и связанные частицы были названы «странными». Такое определение не пришлось по вкусу издателям журнала Physical Review Letters, которые исключили выражение «странные частицы» из названия статьи.

А в начале учебного года университет Калтех пригласил Гелл-Мана к себе, и тот согласился. Он устроился в кабинете, расположенном как раз над кабинетом Фейнмана. В возрасте 26 лет Гелл-Ман стал самым молодым профессором в истории университета. Общественное мнение сходилось на том, что в Калтехе тогда работали два лучших физика эпохи. При этом Гелл-Ман и Фейнман взаимно восхищались друг другом.

«Что мне всегда нравилось в Ричарде, так это отсутствие пафоса в его выступлениях. Я пресытился физиками-теоретиками, которые топили свою работу в математической лексике или выдумывали притязательные обозначения для того, что можно назвать довольно скромным вкладом в науку. Ричард излагал свои остроумные и оригинальные идеи, очень часто мощные, настолько просто, что его объяснения представлялись мне как сильный порыв свежего воздуха».

Иначе и быть не могло: они начали сотрудничать и могли часами вести дискуссии в своих кабинетах, занятые «обсуждением вопросов о космосе», как вспоминал об этом Марри впоследствии. Все-таки речь шла о союзе, основанном на несовместимости характеров: Гелл-Ман воплощал в себе образованного ученого, который неукоснительно и со строгостью судил других и их идеи и который всегда следил за последними научными открытиями. В противовес ему, Фейнман никогда не интересовался награжденными лауреатами. Все, что его занимало, — это информация о том, было ли предположение правильным.

Влево или вправо?

Давайте представим, что с помощью наших огромных радиотелескопов мы контактируем с внеземной цивилизацией и что это возможно только посредством радио. В данных условиях как мы можем указать инопланетянам на правую сторону? Мы не можем сказать им взять компас и посмотреть в сторону севера, так как то, что мы называем «север», является результатом произвольного решения. Сверяясь с компасом, мы должны помнить, что красная стрелка означает север; если это не так, мы можем выбрать его по своему желанию.

Размышляя над этим, мы можем прийти к выводу, что в данных условиях мы преследуем призрачную цель, так как физические законы не различают левую и правую стороны. Другими словами, если нам продемонстрировать видео столкновения двух машин или одной партии в бильярд, мы будем не способны определить, показаны нам картинки прямо или, наоборот, после того как они были отражены в зеркале. В физике такая зеркальная симметрия называется «сохранением четности».

Не все объекты Вселенной симметричны, когда мы наблюдаем их в зеркале. Неподвижная сфера является симметричной: тогда говорят о четности. В противном случае речь будет идти о нечетности. Эта симметрия (геометрическая) исчезает, если сфера начинает вращаться вокруг своей оси. Она больше не соответствует своему зеркальному отражению (см. рисунок).

Изменение четности меняет сферу, вращающуюся в одну сторону, на другую сферу, вращающуюся в обратном направлении. Мы можем проверить это, раскрутив глобус перед зеркалом. С другой стороны, интерес вызывает тот факт, что зеркало меняет местами левую и правую стороны, но не верх с низом. Ответ на этот извечный вопрос заключается в том, что зеркало прячет изменение четности: оно меняет координату по оси, которая перпендикулярна ему, и не меняет координаты на двух других осях, лежащих в плоскости, параллельной ему.

Закон сохранения четности предусматривает, что нечетные объекты не могут превращаться спонтанно в четные. И это важно: в противном случае мы смогли бы использовать спонтанное изменение четности, чтобы определить абсолютную правую и левую стороны. В случае субатомных частиц теория указывает, что если четность сохраняется, тогда четная частица не может распадаться на одну четную частицу и одну нечетную; зато она может распасться на две нечетные или две четные частицы.

В то же время физики открыли, что странные каоны не следуют этому правилу. Они распадаются на другие более легкие частицы, названные пионами, иногда в количестве двух, иногда — трех. Фейнман предложил объяснение такому аномальному поведению. Согласно ему, эта частица:

«...распадалась иногда на два, иногда на три пиона. Но никто не был готов смириться с этим, так как существует закон сохранения четности. Он предполагает, что все физические законы симметричны по отношению к их зеркальному отражению; с другой стороны, он утверждает, что элемент, который образует два пиона, не может также давать три пиона».

Симметрии

Физика обычно ищет закономерности в устройстве нашего мира, то, что обычно называют «законы природы».

Большинство из них можно описать при помощи математических формул. Симметрия создает одну из исследовательских моделей законов природы. Мы все когда-то ее использовали. Если покрутить футбольный мяч на пальце, наше восприятие мяча не меняется: этот феномен называется осевой симметрией; одноцветные машины, выстроенные в один ряд, представляют трансляционную симметрию, то есть невозможно отличить одну машину от другой, так как последняя машина может быть похожей на первую. К тому же, за исключением нескольких очень особых деталей, мы не делаем различия между собой и нашим отражением в зеркале: это зеркальная симметрия. Все эти примеры позволяют нам понять смысл слова «симметрия»: это нечто, остающееся неизменным после преобразования. Какое значение она имеет в физике? Природные законы представляют собой симметрии, которые существуют во Вселенной, и знаменитый закон о сохранении энергии — это не что иное, как симметрия: существует количество энергии, которое остается неизменным.

Эмми Нётер около 1910 года.

Эмми Нётер (1882-1935), молодой немецкий математик, — наш проводник на этом пути. В 1918 году она доказывает теорему, известную сегодня как теорема Нётер, названную в ее честь. В тишине своего дома (женщины в то время не могли становиться профессорами в университетах) она открывает, что для каждой симметрии, которая существует в природе, должен существовать некоторый закон сохранения. Согласно теореме Нётер, сохранение энергии существует, так как законы физики не меняются со временем: они остаются такими же, как и сто лет назад, как вчера или завтра. Импульс — это другая величина, которая соответствует однородности пространства: неважно, проводим мы опыт в Сан-Франциско или в Мадриде, — мы всегда получим одинаковые результаты. Теорема Нётер также предполагает, что если мы не видим никакого изменения в природе, изменяя правую и левую стороны, тогда существует одно значение (четность), которое остается постоянным.

Единственная приемлемая альтернатива сводилась к тому, что должно существовать два типа каонов, которые различаются четностью. В любом случае, это поднимало новую проблему, так как эти два каона, окрещенные физиками may и тета, были полностью идентичными: в обоих случаях речь шла об абсолютно одинаковых бозонах с равными массами. И только распад на две или три частицы позволял их различать.

Электрон, движущийся влево

Такова была ситуация весной 1956 года, когда Гелл-Ман и Фейнман начали сотрудничать. В то время Фейнман уже был ученым, известным среди своих коллег: его диаграммы стали атрибутом повседневной работы физиков, которые, когда приезжали в Калтех, почитали за честь зайти и поздороваться с ним. Все хотели побеседовать с Фейнманом и рассказать о своих проблемах в исследованиях, и он их слушал: эта черта, которая делала его неотразимым в глазах женщин, также располагала к нему его коллег.

В этом году Фейнман и Гелл-Ман приняли участие в самом важном для физики частиц событии — Рочестерской конференции, проходившей в одноименном городе. Умы присутствующих были заняты головоломкой тау- и тета-каонов. В ночь на пятницу молодой человек по имени Мартин Блок предложил Фейнману возможное объяснение явления: речь могла идти о двух процессах одной частицы, идущих с изменением четности при слабых взаимодействиях. У Фейнмана было плохое настроение, и он готов был признать собеседника идиотом из-за таких идей, но он быстро понял, что не может придумать никакого возражения по существу.

На следующий день, к концу последнего субботнего заседания, Фейнман поднялся и спросил, упомянув про авторство Блока: может ли слабое взаимодействие изменить четность? Протокол конгресса сообщает, что ответил один молодой физик-теоретик по имени Ян Чжэньнин. Он объяснил, что проводил исследования на эту тему, но еще не пришел к определенному выводу. Тем не менее Ян сказал, что у него нет никакого доказательства существования такого нарушения. После собрания Фейнман и Гелл-Ман изучили данный вопрос и сделали вывод: не существует веских аргументов, позволяющих утверждать, что слабое взаимодействие не может нарушать закон сохранения четности. Но если так, тогда все казалось возможным. Никакой уверенности у них не было. По возвращении в свой университет Ян и его коллега Ли Чжэндао снова вернулись ко всем имеющимся экспериментальным данным, но не достигли успеха в решении этой проблемы. Тогда они предложили опыт, целью которого было окончательно определить, сохраняет ли слабое взаимодействие четность. Эксперимент в общих чертах состоял в том, чтобы проверить, было ли больше электронов с левой стороны, чем с правой, во время β-распада. В июне 1956 года ученые опубликовали статью, в которой изложили такую возможность. Это было настоящим безумием, но они смогли убедить коллегу из Колумбийского университета By Цзяньсюн проверить их теоретические выкладки на практике. Они были настолько убедительны, что вынудили By сократить ее отпуск с мужем, который она проводила в Европе, ради этого эксперимента. By доказала, что при охлаждении радиоактивного кобальта до сверхнизких температур и при его нахождении в магнитном поле электроны, испускаемые при β-распаде, перемещаются, главным образом, влево. Немного позже Леон Ледерман, будущий Нобелевский лауреат по физике 1988 года, а также коллега By по Колумбийскому университету, решил проверить эти результаты и изменил ее инструментарий, чтобы провести опыт. Он получил подтверждение: электрон стремился влево.

Для существования науки нужны умы, которые не принимают того, что природа следует некоторым предвзятым условиям.

Ричард Фейнман. «Природа физики» (1965)

Открытие нарушения четности вызвало настоящий шок в сообществе физиков. Фейнман же, когда узнал новость, начал танцевать. В следующем, 1957 году, Ли и Ян получили Нобелевскую премию. Вопреки всем ожиданиям, члены Нобелевского комитета исключили By из списков кандидатов на эту премию.

Слабая теория

Во время Конференции в Рочестере в 1957 году Ли сообщил результаты одного очень интересного наблюдения: нейтрино по своей сути — левша. Все известные частицы могут иметь два направления спина (если представить спин как вращение, это означает, что они могут вращаться как по часовой стрелке, так и в обратную сторону), за исключением нейтрино. Этот феномен привлек внимание Фейнмана. Он вспомнил, что уравнение, аналогичное уравнению Дирака, которое он вывел с помощью интегралов по траекториям, можно было применить и к нейтрино. Единственной проблемой было то, что таким образом полученные результаты отличались от экспериментальных. Если рассмотреть все виды взаимодействия нейтронов, протонов, электронов и нейтрино, то мы увидим необходимость ввести пять типов операторов, названных по свойствам их преобразований: скалярный (S), векторный (V), аксиально-векторный (А), тензорный (Т) и псевдоскалярный (Р). Иначе их называют токами: тензорный ток (Т), векторный ток (V) и так далее. Ферми считал, что β-распад мог объясняться как векторный ток (V). И это было основное предположение до 1956 года, когда доказали, что слабое взаимодействие нарушает четность. Это изменяло ситуацию: две из данных величин должны были бы тогда сочетаться, и опыты, казалось, указывали на то, что речь должна идти о S и Т или V и Т. Однако уравнения Фейнмана без тени сомнения делали очевидным сочетание V и А. Опьяненный своим открытием, он хотел поделиться им с коллегами, но времени на его выступление выделено не было. Фейнман использовал весь свой талант и все свое обаяние, чтобы убедить одного из ученых отдать ему пять минут времени от своей презентации для изложения теории. По иронии судьбы этим коллегой оказался Кеннет Кейз: именно ему Фейнман публично объяснял ошибочность его работы. Фейнман сделал свое сообщение и по окончании конференции уехал в Бразилию, намереваясь провести там лето.

Фейнманом овладела мысль вывести универсальное уравнение для последнего из четырех взаимодействий природы, которое оставалось описать. Это был, по его словам, последний шанс изложить фундаментальный закон. Когда Гелл-Ман вернулся, то рассказал ему, что долго общался с Робертом Маршаком, физиком из Рочестерского университета, и его сотрудником, Джорджем Сударшаном, молодым индийцем. Они обсуждали вероятность того, что V-A была единственной возможностью для слабого взаимодействия. Этот разговор стал стимулом для Фейнмана; в конечном итоге его теория оказалась верна:

«Я одним прыжком вскочил с места и заявил: «Сейчас я понимаю все. Все ясно, и я вам объясню это завтра». Они считали, что я шутил, но вовсе нет. Я должен был освободить себя от тирании S и Т, так как у меня была теория для V и А».

Фейнман был убежден, что он был единственным в мире, кто понимал, как V-A производили универсальную формулу слабого взаимодействия. Он принялся писать статью с невероятной скоростью, желая представить миру новую теорию. Между тем Гелл-Ман понял, что Фейнман раскрывает его предположение. И, хотя Гелл-Ман уверял Маршака в том, что не будет писать статью на тему V-A, слово свое он нарушил. В результате директор департамента физики столкнулся с ситуацией, когда два самых блестящих его ученых писали две статьи на одну и ту же тему. Это было неприемлемо, и он попросил их объединить усилия. Вопреки всем ожиданиям, они согласились.

По мнению физика Лоуренса Краусса, статья, которая из этого вышла, «была хаосом стилей, но, без тени сомнения, важной работой». Она взяла лучшее от каждого: формализм Фейнмана при описании нейтрино и наблюдения Гелл-Мана относительно симметрий и величин, сохраненных в слабых токах. Бедный Сударшан: никто не знал, что отчасти и он приложил руку к созданию теории V-A. Два гения Калтеха охотно признавали свой разговор с Маршаком и Сударшаном; они также не отрицали, что взяли их идею. Но все-таки единственная статья, цитируемая впоследствии как классический эталон в данной области, принадлежала Гелл-Ману и Фейнману.

Однако речь шла не о полной теории. Полноценного сотрудничества в данном случае не получилось, можно было говорить лишь о браке по расчету, не продлившемся долго. Каждый из этих ученых следовал своим путем: Фейнман посвятил себя другим вопросам, очень удаленным от физики частиц, тогда как Гелл-Ман занимался работой, впоследствии ставшей его большим вкладом в науку и вознагражденной Нобелевской премией. В будущем Фейнман снова обратится к этой области физики, стремясь убедить своих коллег, что великое открытие Гелл-Мана — кварки — действительно существует.

Внутрь протона

Достаточно часто случается, что математика приходит на помощь другим наукам. В течение XIX века был создан и разработан раздел общей алгебры, посвященный классификации симметрий, собранных в группы: его называют теорией групп. Она определяет группу симметрий как совокупность всех изменений некоторой категории, результатом которых является неизменная величина. То, что с самого начала было лишь невероятно абстрактной теорией без какого-либо практического применения, в XX веке стало фундаментальным инструментом, необходимым для физики микромира.

В 1962 году Марри Гелл-Ман обнаружил (параллельно с Джорджем Цвейгом из Европейской организации по ядерным исследованиям в Женеве), что хаос частиц мог образоваться согласно совокупности критериев, которую он окрестил «восьмеричный путь» — термин, заимствованный им из буддийской философии. Его теория предсказывала существование новой частицы Ω (омега минус). Она была открыта в следующем году, сначала в Брукхейвенской национальной лаборатории, а затем в ЦЕРН. Гелл- Ман и одновременно с ним Юваль Неэман изучали сильное взаимодействие, благодаря которому протоны и нейтроны остаются вместе внутри атомного ядра. Они оба открыли симметрию, очень пригодившуюся при описании сильного взаимодействия: группу Ли, названную в честь норвежского математика Софуса Ли. А более конкретно — группу унитарной симметрии SU(3). Из этого открытия следовало существование более мелких частиц, входящих в состав протонов и нейтронов. Гелл-Ман дал им название кварки (рисунок 1). Согласно его теории, тяжелые частицы, такие как протоны, нейтроны или мезоны, состоят из этих мелких частиц, которые, что удивительно, имеют дробные электрические заряды, равные 1/3 или 2/3 от заряда электрона (он фундаментален сам по себе и не содержит никаких частиц). Другая неожиданность заключалась в том, что совокупность всех тяжелых частиц могла объясняться существованием трех семей, содержащих по два кварка каждая: up (верхний) и down (нижний), strange (странный) и charm (очарованный), top (истинный) и botton (прелестный). Вместе с тем эта классификация позволяла предсказать существование других частиц, подобных Ω , которые еще не были открыты и открытие которых могло доказать верность данной гипотезы.

РИС. 1

Внутренняя структура протона согласно модели кварков Гелл-Мана (и: верхний кварк; d: нижний кварк).

Тем не менее Гелл-Ман не был полностью убежден (или, по крайней мере, он не показывал этого на публике) в том факте, что его восьмеричный путь может быть чем-то большим, чем математическая хитрость для классификации частиц:

Одна из величайших загадок физики частиц состоит в том, почему субатомные частицы имеют ту массу, которая у них есть. В 1960-х годах британский физик Питер Хиггс (родился в 1929 году) предлагает изящное решение данной проблемы. Во Вселенной существует поле, которое занимает все пространство, и когда частицы взаимодействуют с ним, они приобретают то, что кажется их массой. Для лучшего понимания физики обычно прибегают к следующей аналогии. Представим, что мы на голливудском приеме, и вдруг там появляется звезда первой величины. Те, кто находится около самой двери, подходят к ней, чтобы начать разговор, и собираются вокруг нее. По мере того как знаменитость перемещается по залу, стоящие вблизи приглашенные привлечены ею и подходят к ней; но когда звезда удаляется, они возвращаются к своим прерванным разговорам. Как следствие, на этом приеме молодой диве Голливуда труднее передвигаться по залу, чем если бы она была одна. К тому же ей тяжело снова начать передвижение после того, как она остановилась, чтобы ответить на вопросы. Все приглашенные ищут ее внимания. Этот эффект скопления людей вокруг кинозвезды соответствует механизму Хиггса.

Британский физик Питер Хиггс в 2009 году.

Важно отметить, что описанное выше соответствует, ни больше, ни меньше, функционированию того, что мы называем «масса». Речь идет не о весе тела, а о мере его инерции, массе. Именно таким образом мы воспринимаем это поле Хиггса, которое заполняет Вселенную и в котором находятся все частицы: частица, которая в нем перемещается, создает легкое искажение (приглашенные окружают диву при ее появлении), что сообщает ей массу. Элементарной частицей этого поля является так называемый «бозон Хиггса». В женевском ЦЕРНе, как и в чикагской Фермилаб, физики искали эту частицу в течение нескольких десятилетий, вплоть до 4 июля 2012 года, когда ЦЕРН объявил об открытии новой частицы, «соответствующей бозону Хиггса».

«Забавно размышлять о манере поведения кварков, если речь идет о физических частицах с определенной массой». Одним из главных возражений было то, что ни одна частица с массой меньше массы электрона не была открыта до сих пор. Таким образом, дискуссия вокруг этой темы оставалась актуальной.

В 1968 году Фейнман возвращается к физике частиц. Опыты, проведенные в адронных коллайдерах (адроны — термин, употребляемый для обозначения всех частиц, состоящих из кварков), приводят его к формулированию новой теории, согласно которой каждый адрон состоит из других более мелких частиц, названных им партонами. Фейнман осознанно отказался от дискуссии о том, существуют кварки на самом деле или они являются математической абстракцией. Он заявлял, что врач запретил ему дискуссировать о метафизике.

В этом же году в линейном ускорителе Стэнфорда высокоэнергичными электронами облучали протоны. Этот опыт напоминал тот, при помощи которого Резерфорд в 1911 году определил структуру атома. Целью эксперимента, проводимого в Стэнфорде, было установить, что протон не является единым и неделимым, но из чего-то состоит. Фейнман ездил в Стэнфорд в августе и октябре, и ему удалось убедить своих коллег, что его теория о партонах делает изучение структуры протона более легким.

В действительности кварки Гелл-Мана и партоны Фейнмана были дорогами, которые вели в одно место, и эти составляющие материи позволяли разработать теорию сильного взаимодействия. Однако никто не отдавал себе в этом отчета, несмотря на то что опыты, подобные стэнфордским, давали основание так думать. Поэтому Фейнман вместе с двумя студентами в 1970 году пустился в авантюру, намереваясь проверить всю систему элементарных частиц, чтобы выяснить, могут ли предположительно существующие кварки лежать в ее основе. Убедившись в этом, он превратился, по своим же словам, в «кваркователя».

Гелл-Ман не упускал случая посмеяться над партонами, называя их put-ons (можно перевести как «фальшивки», «глупые шутки»). Он ненавидел само название данных частиц, связанное с английским словом part, то есть «часть». И если во время какого-либо семинара кто-то упоминал модель партонов Фейнмана, то Гелл-Ман тут же вскакивал и спрашивал, что это за модель. Он считал, что Фейнман крайне упростил его модель кварков. Гелл-Ман не видел, как Фейнман смог бы прийти к своим партонам способом, отличным от того, который использовал он сам: чтобы создать свои кварки, Гелл-Ман основывался на математическом понятии симметрии и на своей концепции мира. Фейнман же следовал своей собственной методологии, той, которую он использовал каждый раз, когда формулировал какую-либо теорию: в данном случае он смотрел, соответствовала ли предполагаемая структура адронов результатам производимых наблюдений.

Звездный час для модели кварков наступил в 1974 году. Был понедельник, 11 ноября: взволнованный Ричард Фейнман вел эмоциональную беседу со своим коллегой Харальдом Фричем в кулуарах департамента теоретической физики Калтеха. А в 800 километрах севернее, в линейном ускорителе Стэнфорда (SLAC), только что открыли частицу, вероятно являющуюся одним из кварков Гелл-Манна, — очарованный кварк.