Кварки, или откуда берётся масса

Мы публикуем расшифровку лекции доктора физ.-мат.наук, зав. сектором Петербургского института ядерной физики РАН Дмитрия Дьяконова, прочитанной 10 июня 2010 года в Политехническом музее в рамках проекта “Публичные лекции Полит.ру”.

См. также:

• Видеозапись трансляции лекции Дмитрия Дьяконова "Кварки, или Откуда берётся масса".
• Лауреат Нобелевской премии, физик Герард 'т Хофт: “Я не ставлю на теорию струн” (интервью Дм. Дьяконова)
• Дмитрий Дьяконов. “Если вы понимаете квантовую механику, то вы понимаете, как устроен мир вокруг вас”
• Дмитрий Дьяконов. “Физика — это привычка думать”
• Дмитрий Дьяконов. Смешивание кварков и загадочная масса протонов
• Дмитрий Дьяконов. Большой адронный коллайдер: Изменится ли наше понимание Вселенной?

Текст лекции

Я буду рассказывать о самом фундаментальном уровне организации материи, как мы его понимаем сегодня. Я расскажу о фундаментальных частицах, из которых всё состоит — кварках и других, о видах взаимодействия между ними и о том, что все взаимодействия построены по одному принципу. Я объясню, что всё в мире есть “связанные состояния”. Наконец, я постараюсь пояснить, откуда берётся масса всего, что мы видим вокруг, включая нас самих. Я закончу перечислением самых глубоких “тёмных” вопросов. Вот план моего рассказа — см. слайд 1.

Мы знаем со школы, что вещество, включая живое, состоит из молекул, а молекулы — из атомов. В свою очередь атомы состоят из маленького по размерам, но тяжёлого ядра, вокруг которого витают лёгкие электроны. Ядро склеено сильным притяжением протонов и нейтронов — см. слайд 2.

Наконец, протоны и нейтроны состоят, каждый, из трёх кварков. На этой картинке я обозначил, что бывают u-кварки, d-кварки и s-кварки. u — это от слова “up”, d — от слова “down”, а s — от слова “strange”. Есть ещё три других сорта кварков, о которых я скажу дальше. В старину протоны и нейтроны называли элементарными частицами, когда не понимали их структуры. Но последние 50 лет мы, в общем, знаем их структуру, мы знаем, что протоны и нейтроны сделаны из кварков. Поэтому называть протоны и нейтроны элементарными частицами язык не поворачивается. Тем не менее, поскольку они, действительно, такие маленькие, протоны и нейтроны иногда по-прежнему называют “элементарными частицами”. По-настоящему элементарными являются кварки.

Протоны, нейтроны и другие частицы, которых довольно много, потому что можно по-разному комбинировать сорта кварков, называются “барионы”. Каждый из них состоит из трёх кварков того или иного сорта. Есть ещё другие частицы, которые называют “мезоны”, они обязательно состоят из одного кварка и одного анти-кварка, который я на рисунке обозначил штриховкой. Эта картина довольно старая, она создана, в основном, великим американским физиком Гелл-Манном (Gell-Mann, 1964), который, кстати, в пожилом возрасте полностью бросил физику несмотря на то, что он, действительно, великий человек, получил Нобелевскую премию. Но он бросил физику и ушёл в лингвистику. И вот года два назад, мне говорили, он приезжал в Москву на лингвистический конгресс.

Борис Долгин: Да, он помогал Сергею Старостину и его ученикам.

Дмитрий Дьяконов: Слово “кварк” ввёл в физику именно Гелл-Манн, и вообще он придумал много разных смешных названий, которые я буду по мере надобности употреблять. Гелл-Манн взял слово “кварк” из книги “Поминки по Финнегану” Джойса. Это книга-ребус, там почти все непонятно. В частности, один герой говорит: три кварка для мястера Марка, по-английски “three quarks for Muster Mark”. Кто был в Германии или в Скандинавских странах, знают, что кварк — это просто творог, можно пойти в магазин и купить кварк. И совсем недавно я прочел, что это слово, оказывается, славянского происхождения и буквально происходит от слова “творог”, оно появилось в немецком языке довольно поздно, где-то в XIV веке. Вот у вас Зализняк читал лекцию, надо было у Зализняка спросить про кварк.

Ещё я здесь сбоку нарисовал наше изобретение, чтобы намекнуть, что наука не остановилась на 1964 годе. Мы с коллегами рассчитали, что должно быть более сложное образование из пяти кварков, которое так и назвали “пентакварком”. Я поставил рядом с ним вопрос, потому что есть эксперименты, где его видят, их довольно много, но есть эксперименты, где его не видят, их ещё больше. Поэтому пока ситуация не ясна, но готовьтесь к тому, что, возможно, скоро к этому семейству ещё добавятся пентакварки.

Вот это у меня самый загруженный слайд 3. Мы через него продерёмся, а дальше будут картинки, анимации, то есть будет проще. Я сейчас спустился на самый элементарный уровень того, что мы знаем. Есть частицы двух типов. Одни называются упомянутые кварки, их шесть сортов или типов: u — от up, d — от down, c — от слова charm, s — от слова strange, t — от слова top, а b — сами понимаете — bottom. Итак, имеется шесть сортов кварков, при этом, по-видимому, здесь full stop, т.е. больше никаких других кварков нет. Не то, что мы какие-то сорта кварков ещё не открыли, а есть экспериментальные и теоретические доводы, что больше никаких сортов нет.

И есть другие частицы, которые тоже идут такой троицей, и они называются лептонами. Из них наиболее известные — это электрон, и частичка, которая называется нейтрино, она не имеет электрического заряда.

Природа почему-то не поскупилась и изготовила электрон в трёх копиях, ещё имеется два лептона, которые называются мюон и тау-лептон. И каждому заряженному лептону соответствует свое собственное нейтрино, причем это всё — разные частицы! Впрочем, копии электрона гораздо тяжелее его. Здесь я выписал массы этих частиц, пользуясь довольно странной единицей, — не граммами, не килограммами, а мега-электрон-вольтами (МэВ). Почему я не использую килограммы для обозначения массы? Потому что масса, скажем, протона и нейтрона составляет порядка 10^-27 кг, что, конечно, очень мало. Ясно, что с такими мелкими единицами обращаться неудобно. Величина 1 МэВ или, если полностью, мега-электрон-вольт — это та энергия, которую приобретает электрон, если он проходит разность потенциалов в миллион вольт. Почему я в энергетических единицах меряю массу — потому что Эйнштейн написал небезызвестную формулу: E=mc². Эта формула говорит, что если у тела есть масса, то его энергия в покое есть mc². Благодаря этой формуле, в физике элементарных частиц часто меряют массу в единицах МэВ, это удобно. Более примечательны относительные величины: электрон весит половину этой единицы МэВ, что в 2000 раз меньше массы протона и нейтрона. Следующий лептон (мюон) весит в 200 раз больше, а последний (тау-лептон) в 3600 раз больше, т.е. он даже тяжелее протона.

Теперь вернемся к кваркам. Кварки делятся на две группы: одна — это u,d,s — сравнительно лёгкие, u-кварк всего в 8 раз тяжелее электрона. Чепуха, да? d-кварк тоже лёгкий, s-кварк какой-то промежуточный, а вот эти три последних c, t, b очень тяжёлые. Причем, какая удивительная штука, они даже тяжелее, чем сам протон. Протон сделан из кварков, но он сделан из лёгких кварков, а есть ещё отдельные объекты, которые тяжелее, чем составной протон, причём намного тяжелее, t-кварк — совсем тяжёлый. Соответственно, физика частиц, составленных из лёгких кварков, очень отличается от физики частиц, состоящих из тяжёлых кварков. Возвращаясь на слайд 2, видим, что протон сделан из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон, который нейтральный, сделан из двух d-кварков и одного u-кварка. Это стабильные частицы, а вот, например, этот гражданин под названием лямбда-гиперон состоит из u, d и ещё s кварка. Вот такой имеется зверинец.

Материя устроена наподобие матрёшки: открываешь большую матрёшку (молекулу) — там атом, открываешь атом — там ядро и электроны, в ядре — протоны и нейтроны, а в последних — кварки. Это последняя, цельная матрёшка, как и электрон. Сегодня считается, что кварки и лептоны — то, что приведено на слайде 3, — уже не имеет внутренней структуры.

Есть одно чрезвычайно важное обстоятельство, отличающее кварки от лептонов. Каждый из приведенных здесь кварков существует в трёх ипостасях. Кварков каждого сорта на самом деле по три штуки. Эту новую, дополнительную характеристику кварка тот же Гелл-Манн назвал “цветом”. К нашему обычному цвету — красному, зеленому, синему — это не имеет никакого отношения. Это просто такое словечко, чтобы нам жилось веселее. Соответственно, наука, которая изучает взаимодействие кварков, называется квантовая хромодинамика. Она “хромо” не потому, что она обращается с обычными цветами, а потому что она намекает на это словечко “цвет”, который характеризует кварки.

Теперь фундаментальные силы — см. слайд 4. Я немного упрощаю, но во всех популярных книжках написано то, что у меня на этом слайде, — что фундаментальных взаимодействий четыре. Есть гравитация, закон Ньютона: все тела друг к другу притягиваются с силой, пропорциональной массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния. Мы говорим, что переносчиком этого взаимодействия является гравитон. Такая безмассовая частичка, то есть не имеющая массы, она всегда распространяется со скоростью света, поэтому гравитация распространяется со скоростью света. Она обеспечивает то, что есть закон притяжения Ньютона.

Дальше есть взаимодействия, которые принято называть слабыми. Когда их открыли, они были слабыми. Но, скажем, на большом адронном коллайдере, который сейчас запущен в Женеве, они уже становятся довольно сильными. Но по традиции их называют слабыми, и у них очень маленький радиус действия, они действуют в очень маленьком пределе даже в масштабе элементарных частиц. Так что слабые взаимодействия очень короткодействующие, но они важны: из-за них происходит радиоактивные распады, а главное, слабое взаимодействие участвует в энергетике звёзд. Это уже серьёзно. Короче говоря, без слабых взаимодействий нас бы не было.

Дальше есть электромагнитные взаимодействия, которые даны нам в ощущениях, особенно если засунуть два пальца в розетку, но для меня сейчас важно, что закон взаимодействия очень похож на закон Ньютона. Только здесь он называется законом Кулона, и сила пропорциональна не массам, а зарядам, но сила тоже обратно пропорциональна квадрату расстояния, и тоже переносчиком является безмассовая частица, в данном случае фотон. То есть фотон с одной стороны попадает нам в глаз из лампочки, а с другой стороны тот же самый фотон в другой несколько ипостаси связывает за счёт закона Кулона все атомы, все молекулы, белки и так далее.

И, наконец, и для меня лично самые интересные, так называемые сильные взаимодействия, они же “цветные”. Они ответственны за слипание кварков внутри протонов и нейтронов. Про них, в основном, я и буду говорить. Тут переносчиком являются аналоги фотона, они называются глюоны, от слова “glue” — клей. И понятно, почему такое слово придумано — потому что эти глюоны, а их восемь штук, склеивают кварки внутри протона.

Теперь я хочу вас погрузить в глубокую мысль. Посмотрите на слайд 5. Все знают, что птичка садится на провод, в проводе 500 киловольт, а ей хоть бы хны. Вот если птичка растянется и одной лапкой возьмётся за один провод, а другой лапкой — за другой, вот тут будет нехорошо. Почему? Потому что, говорят, что сам электрический потенциал не имеет физического смысла, он, как мы любим говорить, не наблюдаем. Физики любят наблюдаемые вещи и не любят философию. Есть более точное высказывание, что наблюдаема напряжённость электрического поля. Напряжённость — кто знает — это градиент потенциала. Иначе говоря, скорость изменения потенциала по оси x, y, z — это и называется градиент, и напряжённость электрического поля — это есть изменение потенциала. Не сам потенциал, а изменение потенциала. И оно является наблюдаемым.

Этот принцип — что наблюдаемо не само значение электрического потенциала, а только его изменение в пространстве и времени — был открыт еще в ХIХ веке. А в квантовой теории в современном виде это было сформулировано нашим замечательным учёным В.А. Фоком в 1926 году, который основал кафедру теоретической физики в Петербурге, которую я заканчивал, правда, несколько позже. Он понял, что есть такой принцип в природе, который он назвал “градиентной инвариантностью”. В книге Ландау и Лифшица тоже называется по Фоку “градиентная инвариантность”. Но сейчас, поскольку все пишут по-английски, это понятие называется “gauge invariance”, по-русски переводится как “калибровочная инвариантность”. “Gauge” — слово не очень употребительное даже в английском языке, мы переводим как калибровка, калибр, но первоначально словом gauge обозначалось расстояние между рельсами. Была узкая колея, была широкая колея — это называлось “gauge”. И почему-то это слово про рельсы оказалось абсолютно кардинальным для понимания фундаментальных взаимодействий.

Оказывается, что если богу понравится некая идея, он её употребляет повсюду. Я говорю “бог” без большого глубокомыслия, просто для краткости речи. Я это подмечал много раз. Вот вы встречаете в какой-то области науки некий механизм, что как-то там устроено, а потом оказывается, что ровно то же самое сконструировано в другой области науки, которая описывает совсем другие явления. Видно, что он экономил и не вводил новых сущностей без крайней надобности.

На этой идее, которая более или менее запечатлена в виде летающих вокруг провода птичек на слайде 5, устроены все четыре фундаментальных взаимодействия. Например, я говорю про “цвет” кварков, то есть имеется некая характеристика, принимающая три значения. Условно будем говорить красный, синий, зеленый. Так вот сам “цвет” кварка, так же как сам потенциал, физического значения не имеет, и он не наблюдаем. Наблюдаемо только изменение “цвета” от точки к точке. Эти слова имеют чёткое математическое воплощение, которое однозначно фиксирует, как конкретно кварки взаимодействуют с глюонами, а те между собой. Идея “калибровочной инвариантности” абсолютно жёстко, без всякой свободы для творчества, определяет эти взаимодействия, и именно эта наука называется квантовая хромодинамика.

Я начал свой список с гравитационного взаимодействия. Оказывается, что оно тоже построено на принципе калибровочной инвариантности, только там независимость не от “цвета”, не от потенциала, а от чего-то другого. Попробую объяснить, от чего. Есть плоское пространство, вот перед ведущим поверхность стола почти плоская, и мы можем нанести координатную сетку на поверхность — см. слайд 6.

Теперь представим себе, что где-то имеется большая масса. Например, Солнце. Солнце — это большая масса. Что оно делает? Оно как бы прогибает плоское пространство, и пространство делается искривлённым. Очень наглядно. Теперь мы помещаем поблизости Землю, она начинает крутиться вокруг Солнца. На самом деле, образ вполне геометрический: пространство продавлено и в этой лунке крутится наша планета Земля. Посмотрите на слайд — там исказились все координатные линии. И вот, что было самым главным достижением Эйнштейна, когда он выдвинул общую теорию относительности. Он сказал, что все наблюдаемые физические явления не должны зависеть от того, какую мы соизволим нанести координатную сетку и какими часами будем пользоваться.

Это жутко глубокая мысль, которую тоже можно чётко сформулировать математически, и она ведёт к наблюдаемым последствиям, в частности, и к закону всемирного тяготения Ньютона. Теория относительности Эйнштейна была окончательно сформулирована 95 лет тому назад, и с тех проведено огромное количество тончайших сравнений с экспериментом, и мы знаем, что эта идея работает количественно. Поэтому у нас нет ни малейшего сомнения, что эта теория правильная.

Почему я это привёл здесь, потому что это тоже своего рода “калибровочная инвариантность”. Я хотел подчеркнуть, что это всё та же “божественная” идея про то, что наблюдаемые не могут зависеть от чего-то, в данном случае от выбора координат, а зависят наблюдаемые только от кривизны. Если звезда массивна, она сильно прогибает пространство, там большая кривизна, соответственно планетные орбиты там будет меньше, вот это и есть наблюдаемая вещь. Кривизна есть наблюдаемая вещь, и в математическом смысле напряжённость электрического поля — это тоже своего рода кривизна. А потенциал не наблюдаем, птичка, сидящая на одном проводе, жива.

Теперь про “цветные” взаимодействия. Помните, я вам сказал, что есть шесть сортов кварков. Они отличаются электрическим зарядом, они отличаются массами, они отличаются разными другими характеристиками. Общее у них, что все они и каждый из них имеет три “цвета”. Когда кварки склеиваются в протон, а в протоне два кварка сорта u и третий кварк сорта d, у каждого из этих u, u и d есть ещё “цвет”. Так вот, нужно взять один кварк красного цвета, второй синего цвета, третий зелёный — и никак иначе. Нельзя взять два красных и один зелёный или что-то другое, нужно взять именно эти самые три дополнительных цвета, которые делают белый цвет, и тогда получится протон.

На слайде 7 я изобразил жизнь протона во времени. Имеется три кварка, и они обмениваются глюонами, причем глюонов восемь штук. Почему восемь? Потому что когда красный кварк переходит в синий, то он испускает красно-синий глюон. Всего должно быть 3*3=9 разных глюонов. Но их не 9, а 8, потому что есть три комбинации, которые называются диагональными, и тут сумма коэффициентов должна равняться нулю, поэтому одного “диагонального” глюона нет, так я скажу немного мистически.

Эта наука была создана в 1972 году упомянутым Гелл-Манном, Фритчем и Минковским (Gell-Mann, Fritsch, Minkowski) и названа квантовой хромодинамикой. Она очень похожа на более старую науку квантовую электродинамику, которая диктует, как электроны взаимодействуют с фотонами. Только глюонов не один, как фотон, а восемь, и сами глюоны между собой тоже взаимодействуют. Именно эта, казалось бы, не очень существенная разница приводит к поражающим воображение последствиям, о которых я расскажу дальше.

Вернёмся к связанным состояниям. Я начал с того, что всё в мире суть связанные состояния, а теперь взглянем на них ещё раз. Ещё раз перечислим их, начиная с молекул, и тут мне потребуется понятие энергии связи, она же дефект массы.

Допустим, вам принесли кирпич и вы молодецким ударом ребром ладони разрубаете его пополам, но перед тем, как ударить по кирпичу, вы на очень точных весах взвешиваете его массу. Потом вы его разбили пополам, взяли два куска, аккуратно собрали все осколки до последней молекулы и опять взвесили. Спрашивается, масса одинаковая или нет, а если нет, то в какую сторону они отличаются?

Реплика из зала: Целый кирпич легче.

Дмитрий Дьяконов: Правильно, целый легче. Целый кирпич весит меньше, но я прикинул, насколько он будет меньше весить, — всего на 10^-12, на одну триллионную часть. Одна триллионная часть и есть энергия связи кирпича.

Когда вы что-то составляете, то сумма масс составляющих всегда больше, чем то целое, которое образовалось, если это целое, действительно, держится, а не разлетается тут же само собой. Если там есть дефект масс, и оно держится — это называется связанным состоянием. Всё в мире, что мы наблюдаем и не наблюдаем, суть связанные состояния, начиная от каждого из нас — человек, клетка, молекула, атом — это связанные состояния, которые характеризуются энергией связи или дефектом масс.

См. слайд 8.

Молекулы бывают разные, но типичная энергия связи молекулы — это 1 электрон-вольт, и дефект массы, то есть отношение разницы масс к суммарной массе, очень мало — одна миллиардная. Это означает, что молекулы, в сущности, страшно рыхлые, а тем не менее вся химия, жизнь, всё на свете основано на этой 10^-9. У белков энергия связи ещё меньше, именно из-за этого белки имеют столько разновидностей, конформаций и так далее.

Теперь мы идем на более мелкий уровень, видим атомы. Атом — это ядро и витающие вокруг электроны. Электроны тоже связанны, там энергия связей типичная на порядок больше — 10 электрон-вольт, то есть атом крепче завязан, чем молекула и, соответственно, дефект массы 10^-8. Дальше мы идем ещё глубже, там ядра — это связанное состояние протонов и нейтронов, и там энергия сразу резко увеличивается. Вы видите на слайде 8, она скачет сразу до 10 МэВ — мега-электрон-вольт, в миллион раз. Одним скачком энергия связи увеличивается в миллион раз. И тут дефект массы уже вполне чувствительный, он составляет примерно 0,001 — это означает, что, измерив массу всех составляющих протонов и нейтронов, а потом склеив их в ядро, получим разницу на одну тысячную. И это, конечно, вполне заметный эффект.

На энергии связи один электрон-вольт или в лучшем случае десяти электрон-вольт работает всё органическое топливо, а на энергии, которая в миллион раз больше, работает ядерная энергетика. Поэтому атомной электростанции нужно в миллион раз меньше топлива, чтобы выдать ту же энергию, чем если б сжигать уголь или мазут.

Как видите, вся история науки состояла в том, чтобы мы занимались самыми разнообразными связанными стояниями, и всегда сумма масс составляющих была больше, чем целого. И вот мы доходим до последнего связанного состояния — это протоны и нейтроны, которые сделаны из трёх кварков, и тут, оказывается, всё наоборот! Масса протона 940 МэВ — см. слайд 9. А масса составляющих кварков, то есть двух u и одного d, — складываем 4+4+7 и получаем всего 15 МэВ. Значит, сумма составляющих масс не больше целого, как привычно, а меньше, и не просто меньше, а в 60 раз меньше! То есть мы впервые в истории науки встречаемся со связанным состоянием, в котором всё наоборот в сравнении с привычным.

Спрашивается тогда, откуда же эта масса взялась 940 МэВ, если я беру, составляю протон из кварков и получаю только 1/60 от того, что требуется? Вот это и есть тот вопрос, который я поставил в заглавие лекции, и оставшееся время про это поговорю. Я хочу напомнить вам, что масса нашего тела на 99 целых и 95 сотых процента определяется массой протонов и нейтронов. Массу дают они. Электроны очень лёгкие и вносят только 5 сотых процента в массу нашего тела. Поэтому вопрос, откуда у протона масса, — это, в сущности, вопрос из чего мы сделаны. В каждом из нас в этом зале около 2.10²⁸ протонов и чуть больше нейтронов.

Вопрос из зала: Фотоны массу не дают?

Дмитрий Дьяконов: Фотоны массу не дают. Вот ещё одна жуткая вещь. Я перечислял разные связанные состояния от молекулы до ядра, и когда мы говорим, что это связанные состояния, то мы подразумеваем, что если шмякнуть очень сильно, допустим, по электрону в атоме, то произойдет то, что называется ионизацией — электрон выскочит из атома. То есть всегда, затратив некоторую энергию, а вы уже грамотные — это и есть энергия связи, — можно разорвать целое на составляющие. А с кварками не так.

Считается, что между кварками, если пытаться их развести, действует очень большая сила, см. слайд 10. Я когда-то, можно сказать, довольно давно, перевёл единицы измерения, которые мы употребляем в физике элементарных частиц, в общечеловеческие. И с интересом обнаружил, что сила, которая действует между кварками, составляет в человеческих единицах 14 тонн! Это очень много. Это два КАМАЗа могут тянуть какую-то цепь с такой силой. А теперь представьте, что это всё сосредоточенно в микроскопическом объеме, и такая дикая сила действует между кварками. И второй парадокс: во всех фундаментальных взаимодействиях, что я вам перечислял, силы убывали с расстоянием. А здесь сила 14 тонн вообще не убывает с расстоянием, она всё время одна и та же! Мы называем это струной, которая натягивается между кварками.

Правда, надо оговориться, что если всё дальше и дальше раздвигать кварки, то в какой-то момент струна лопнет, и посередине родятся мезоны, состоящие из кварков и антикварков, где кварки будут снова близко друг от друга, но это уже вторичный эффект.

В качестве анекдота могу добавить, что в разных популярных выступлениях типа сегодняшнего, я и некоторые коллеги эти 14 тонн приводили смеха ради, чтобы аудитория почувствовала, как это много. И каково же было моё удивление, когда это число назвал начальник Росатома Кириенко, отчитываясь о чём-то Медведеву. То есть “наверх” проникло. Это означает, что надо читать популярные лекции, в конце концов, это проникает…

Борис Долгин: Это один из смыслов наших публичных лекций.

Дмитрий Дьяконов: Да. Я обрисовал совершенно невероятную ситуацию, которая ставит нас в тупик. Сегодня имеется не ответ, а несколько проектов ответа, проектов объяснения микроскопического происхождения струны, которая натягивается между кварками, но общепризнанного нет. Потому что очень трудно это сделать количественно. Мы давно прошли уровень качественных объяснений, и нужно иметь количественную теорию. Количественную теорию создать трудно, но я думаю, что одно из тех объяснений этих 14 тонн, которые уже сегодня опубликованы, в конце концов, победит остальные и будет признано правильным. Надеюсь, что это будет то, которое предложили мы с моим товарищем В.Ю.Петровым.

Должен сказать, есть такое любопытное наблюдение, что важные, глубокие явления часто имеют не одно, а несколько правильных объяснений. Они как бы дополняют друг друга, и в каком-то смысле все являются правильными. Но такое понимание возникает только на позднем этапе, а сначала люди спорят. Как когда-то, на заре ХХ века, люди спорили: электрон — это волна или частица? Оказывается, что он и волна, и частица. И то правильно, и это правильно.

Вот ещё одна ужасная вещь, чтобы смутить вас еще больше, см. слайд 11. Давайте мы откачаем воздух, улетим куда-то далеко от всех галактик, где нет абсолютно никакой материи, тогда мы называем это вакуумом. Оказывается, что пустое пространство, вакуум живёт очень сложной и очень богатой жизнью, которая здесь изображена. В данном случае это не карикатура, а самое настоящее компьютерное моделирование самой настоящей квантовой хромодинамики, и есть автор, мой коллега Дерик Лейнвебер (Derick Leinweber), который любезно предоставил мне эту картинку для демонстраций. Причем, что замечательно, наличие материи почти не влияет на вакуумные флуктуации поля. Это глюонное поле, которое таким вот странным образом флуктуирует всё время.

Это, действительно, фильм во времени (для специалистов скажу — в евклидовом времени), и он периодически повторяется с периодом, обратно пропорциональным температуре системы. Размер каждой крупной флуктуации здесь примерно 10^-15 метра, это и есть размер протона, а время существования такой вспышки примерно 10^-23 секунды. Конечно, в анимации крайне замедленная съёмка. То есть, флуктуации происходят за очень короткое время и на очень малых расстояниях, но мы и говорим об очень малых размерах, потому что протоны такие маленькие.

В вакууме происходят такие сильные флуктуации, и это, несомненно, играет какую-то роль и в формировании массы, что я поясню, и в формировании струны между кварками. Ещё раз повторю, что есть несколько гипотез, как соединить эти элементы между собой, но я не буду вам рассказывать ни одной, а давайте встретимся лет через 18, и, я думаю, тогда уже будет точно известно.

Это протон в разрезе, см. слайд 12. На самом деле, когда я рисую три кварка-кружочка внутри протона — это карикатура. Будет гораздо более точно, если сказать, что имеется три кварка, а где-то там болтаются временами ещё и кварк и анти-кварк, которые то вспыхивают, то аннигилируют снова, и всё это находится на фоне вот этих зверских флуктуаций, которые были бы и в отсутствии кварков, в пустом пространстве.

Так как же всё-таки кварк приобретает массу? Тут я должен заранее извиниться. Дело в том, что в любой достаточно развитой науке существуют образы, которые уже не апеллируют к нашему житейскому опыту, но живут своей жизнью. В физике, особенно в ХХ веке, было наработано очень много таких образов, которые не имеют…

Реплика из зала: Здравого смысла!

Дмитрий Дьяконов: Здравый смысл они как раз имеют, они не имеет аналогов в житейском опыте. Но мы эти образы проверяем, потому что у нас есть математические формулы, мы вычисляем по математическим формулам какие-то наблюдаемые физические вещи, сравниваем их с экспериментом, и с шестью знаками после запятой, иногда меньше, иногда больше, происходит совпадение с вычислениями. Это означает, что наши образы были правильные. Каждый человек со студенческой скамьи проходит эти новые вещи, которые трудно понять на житейском языке, но по мере работы и накопления опыта, они становятся такими же реальными, как, например, автобус за окном.

Но это создаёт некоторую трудность для популяризатора. К каким образам следует прибегать, чтобы объяснить то, что не встречается в обыденной жизни? Не хочу никого обидеть, но представьте себе, что есть бактерии, которые размножаются делением. А вы должны объяснить этим бактериям, что, знаете, граждане, бывает ещё размножение половым путем. У этих бактерий нет этого образа! Как им обрисовать этот образ? Вот я сейчас испытываю примерно такие трудности. Я должен для объяснения того, откуда берётся масса, использовать некие образы, которыми, боюсь, не все из вас владеют. Но попробую. То есть я сейчас заведомо буду обманывать, я не могу не обманывать, но постараюсь это сделать минимальным образом.

Вернёмся к этим ужасным флуктуациям глюонного поля. А теперь туда впускаем кварки, см. слайд 13. Что с ними будет происходить? Происходит довольно интересная вещь. Тут тоже мысль не поверхностная, попробуйте в неё вникнуть. Представьте два кварка или кварк и антикварк, которые оказываются одновременно в окрестности такой большой флуктуации. Флуктуация наводит между ними некую корреляцию. А корреляция означает, что они взаимодействуют.

Тут как раз я могу привести житейский образ. Вы спускаете воду из ванны, там образуется воронка, куда падают две спички, они затягиваются этой воронкой, и обе они крутятся одинаково. То есть поведение двух спичек скоррелированно. И вы можете сказать, что воронка навела взаимодействие между спичками. То есть внешнее влияние наводит взаимодействие между объектами, которые попадают под это влияние. Или, скажем, вы идёте по Мясницкой, и начинается дождь. И почему-то вдруг все поднимают какой-то предмет над головой. Это скоррелированное поведение, получается, что люди взаимодействуют, но они не непосредственно взаимодействуют, а взаимодействие навело внешнее влияние, в данном случае, дождь.

Здесь происходит нечто в том же духе, см. слайд 13. Это, кстати, поняли мы с моим многолетним соавтором В.Ю.Петровым, что сильные флуктуации глюонного поля наводят некоторую корреляцию между кварком и антикварком. Скоррелированных пар кварк-антикварк становится много в пространстве, и, здесь я пользуюсь незаконным приёмом, они образуют квантовый конденсат. Это не есть конденсация водяных паров, это другой конденсат, квантовый, и тут я сдаюсь, я объяснить это быстро не смогу.

Все наверняка слышали про сверхпроводимость, а если в зале есть физики, они объяснят, что механизм сверхпроводимости — это конденсация так называемых куперовских пар электронов в сверхпроводнике. Здесь происходит аналогичное явление, только квантовый конденсат образуют не электроны, а пары кварков и антикварков.

Что же происходит, если кварк попадает в такую среду? Кварк летит, он может выбить один кварк, который уже организовался в такую пару, этот летит дальше, попадает случайным образом в следующую, и так далее, см. слайд 14. То есть кварк путешествует сложным образом по этой среде. И именно это даёт ему массу. Я могу объяснять это на разных языках, но лучше, к сожалению, не станет.

Математическая модель этого явления, которое носит красивое название “спонтанное нарушение киральной симметрии”, была впервые предложена ещё в 1961 г. одновременно нашими отечественными учёными Ваксом и Ларкиным и замечательным японским учёным Намбу, который всю жизнь прожил в Америке и в 2008 году, в весьма преклонном возрасте, получил за это дело Нобелевскую премию. Вакс жив, слава Богу, Ларкин умер недавно. Я об этой Нобелевской премии написал в прошлом году в “Полит.ру”, можно прочитать. Вакс и Ларкин с одной стороны и Намбу с другой предложили практически одно и то же. Занятно, что в работе как Вакса и Ларкина, так и Намбу, если понимать их буквально, всё неверно, как мы понимаем сегодня, — верна только идея. Кварки, вы помните, были предложены в 1964 году, а это работа 1961 года, так что они никак не могли говорить про кварки, они говорили про что-то другое. Короче говоря, всё неверно, но идея правильная, и её можно реализовать в квантовой хромодинамике, как мы показали.

Я уже заканчиваю. Для развлечения покажу слайд 15. Это город Копенгаген, в центре которого есть большой квартал, который принадлежит пивоварне Carlsberg. Пиво Carlsberg — если не пили, то почти все про него слышали. В глубине фотографии видны огромные цистерны, где варится это самое пиво. А на переднем плане изящная вилла в итальянском стиле, видите, статуи спереди стоят, там барельефы, мозаика и так далее. У основателя этой пивной империи и хозяина виллы были сложные отношения с сыном, и он в конце ХIХ века завещал всё Датской Королевской Академии наук с отдельной строкой в завещании, что на вилле должен жить учёный по назначению Академии наук. Поэтому она называется “Carlsberg Aсademy Villa”. И вот создатель квантовой механики, о которой мы много говорили сегодня, Нильс Бор (Niels Bohr), был жильцом номер три на этой вилле. Я тоже жил здесь с семьёй перед тем, как вернуться в Россию.

Всё, это мой последний слайд 16. Здесь я упоминаю вещи, про которые вообще не говорил, но чтобы у вас была перспектива — о чём думают люди, занимающиеся фундаментальной физикой. Здесь несколько вопросов, которые я отношу к классу “хоть стой, хоть падай”. Вопросы бывают разные. Если человек невежественный, то для него всё непонятно. Почему пиво пенится, а вино не пенится. Почему небо голубое, а не красное. Почему кварки не вылетают, и почему у протона такая масса. В общем, всё непонятно. Правда, если человек совсем невежественный, то он даже не понимает, что не понимает. Чуть-чуть — и он начинает задавать много вопросов. Дальше, по мере того, как вы обучаетесь, вы начинаете классифицировать вопросы. Есть вопросы, которые я называю лёгкими. Это вопросы, на которые ответ в принципе известен. Может быть, мне лично не известен, но можно найти в Интернете. А, может быть, в Интернете ещё нет ответа, но я понимаю, что моего общего образования хватит, если подумать неделю или 15 минут, чтобы ответить на этот вопрос. Это — лёгкие вопросы. А есть вопросы, которые по моей классификации я называю “хоть стой, хоть падай”. Есть вопросы, когда ты просто немеешь, когда ты просто не знаешь, с какой стороны за это взяться. Тут я перечислил вопросы из класса “хоть стой, хоть падай”.

Почему кварки никогда не вылетают из протонов и нейтронов? Почему натягивается струна, которая 14 тонн, и не убывает с расстоянием? Это загадка.

Я ничего не говорил, но вы, наверное, слышали, что на самом-то деле все звёзды, все галактики, которые мы видим, составляют всего лишь жалкие 20% массы Вселенной, а 80% массы — неизвестно что. Это называется “тёмная материя”. Из чего состоит эта “тёмная материя”, мы не знаем, мы только догадываемся, но окончательного ответа нет.

Я в самом начале, помните, приводил какие-то странные цифры, в которых не видно было никакой закономерности. Это как бы “затравочные”, исходные массы кварков и лептонов. Откуда берутся эти конкретные числа, абсолютно непонятно, и это тоже вопрос типа “хоть стой, хоть падай”.

И, наконец: я упоминал все четыре фундаментальных взаимодействия, которые мы знаем сегодня, ещё раз перечислю: гравитационное, “цветное”, слабое и электромагнитное. Они все устроены богом по одному принципу — “калибровочной инвариантности”. Когда вы математически начинаете это записывать, формулировать, вы видите, что математика почти одна и та же для всех четырёх взаимодействий. Я бы даже сказал, что совсем одна и та же, если немного абстрагироваться и воспарить. Ясно поэтому, что всё это происходит из одного места, что это единая теория, но буквально создать эту единую теорию пока не удаётся, хотя частичный успех имеется. Электромагнитные и слабые взаимодействия, которые я упоминал, удалось объединить, и теперь это называется электро-слабые взаимодействия. То есть большие куски совершено разнородных явлений удалось свести к одной математике, и это носит название “стандартная модель”, она работает великолепно экспериментально. На этом заканчиваю. Спасибо.