Не только фотон, но и все переносящие взаимодействие калибровочные бозоны взаимодействуют по дороге к месту назначения с виртуальными частицами. Пары виртуальных частиц — частица и ее античастица — спонтанно извергаются из вакуума и поглощаются им, что влияет на конечную интенсивность взаимодействия. Эти виртуальные частицы на время устраивают засаду на переносящий взаимодействие калибровочный бозон, изменяя суммарную интенсивность взаимодействия. Вычисления показывают, что, как и в случае электромагнитного взаимодействия, интенсивность слабого взаимодействия уменьшается с расстоянием.
Однако виртуальные частицы не всегда навешивают тормоза на взаимодействия. Как это ни удивительно, иногда они могут помочь усилить их. В начале 1970-х годов Дэвид Политцер, который был тогда аспирантом Сидни Коулмена в Гарварде (который и предложил Политцеру задачу), и независимо Дэвид Гросс и его студент Фрэнк Вильчек (оба из Принстона), и, наконец, Герард ’т Хоофт из Голландии проделали вычисления, показавшие, что сильное взаимодействие ведет себя полностью противоположным образом по сравнению с электромагнитным взаимодействием. Вместо экранирования сильного взаимодействия на больших расстояниях и тем самым его ослабления, виртуальные частицы на самом деле усиливают взаимодействия глюонов (частиц, переносящих сильное взаимодействие), так что сильное взаимодействие на больших расстояниях оправдывает свое название. Гросс, Политцер и Вильчек получили Нобелевскую премию по физике 2004 года за глубокое проникновение в суть сильного взаимодействия.
Ключ к этому явлению — поведение самих глюонов. Большое различие между глюонами и фотонами заключается в том, что глюоны взаимодействуют друг с другом. Глюон может влететь в область взаимодействия и превратиться в пару виртуальных глюонов, которые будут оказывать влияние на интенсивность взаимодействия. Эти виртуальные глюоны, как и все виртуальные частицы, существуют только краткий миг. Но их влияние накапливается с ростом расстояния, пока сильное взаимодействие не становится действительно необычайно сильным. Результат вычислений показывает, что виртуальные глюоны чрезвычайно усиливают интенсивность сильного взаимодействия, когда расстояния между частицами растут. Сильное взаимодействие намного сильнее тогда, когда частицы достаточно далеки друг от друга, а не тогда, когда они находятся рядом друг с другом.
По сравнению с экранировкой электрического заряда, рост интенсивности сильного взаимодействия с расстоянием противоречит интуиции. Как так может получиться, что взаимодействие становится сильнее, когда частицы находятся дальше друг от друга? Большинство взаимодействий ослабевает с расстоянием. На самом деле, чтобы доказать это, нужно проделать вычисления, однако можно привести и примеры такого поведения в окружающем мире.
Допустим, некто посылает в бюрократическое учреждение письмо, важность которого какой-то менеджер среднего звена просто не понимает. В этом случае менеджер может раздуть то, что было обычной памятной запиской, в критически важную директиву. Как только менеджер среднего звена модифицировал письмо, оно стало оказывать намного большее влияние, чем то, которое возникло бы, если бы автор письма передал его непосредственно адресату.
Другим примером, показывающим, что взаимодействия на больших расстояниях могут быть сильнее взаимодействий на малых расстояниях, может служить Троянская война. Согласно Илиаде, Троянская война началась после того, как троянский царевич Парис решил сбежать вместе с Еленой, женой спартанского царя Менелая. Если бы Менелай и Парис сразились друг с другом за право обладать Еленой до того, как Парис и Елена сбежали в Трою, война между греками и троянцами могла бы закончиться до того, как она превратилась в эпос. Но поскольку Менелай и Парис оказались далеко друг от друга, они взаимодействовали со многими людьми и собрали большие силы, участвовавшие в очень кровопролитных греко-троянских битвах.
Как ни удивительно, рост сильных взаимодействий с расстоянием достаточен для объяснения всех характерных свойств сильных взаимодействий. Это объясняет, почему сильное взаимодействие столь сильно, чтобы удерживать кварки связанными внутри протонов и нейтронов, и кварки, захваченные струями: сильное взаимодействие растет на больших расстояниях до момента, когда испытывающая его частица не может быть удалена слишком далеко от других сильновзаимодействующих частиц. Фундаментальные сильновзаимодействующие частицы, например кварки, никогда не обнаруживаются в изоляции.
Достаточно удаленные друг от друга кварк и антикварк запасли бы колоссальное количество энергии, настолько большое, что было бы энергетически выгоднее создать дополнительные физические кварки и антикварки между исходными, чем сохранить их изолированными. Если бы вы попробовали раздвинуть кварк и антикварк еще дальше друг от друга, из вакуума стали бы рождаться новые кварки и антикварки. Это напоминает автомобильное движение в городе Бостоне. Вам никогда не удастся двигаться так, чтобы промежуток между вашей машиной и машиной спереди превышал длину машины, так как этот промежуток тут же занимает какая-то машина из соседней полосы. Так и новые кварки и антикварки будут болтаться вблизи исходных, так что ни один отдельный кварк или антикварк не станет более изолированным, чем в начале, — рядом всегда найдутся другие кварки и антикварки.
Так как сильное взаимодействие на больших расстояниях столь велико, что оно не позволяет сильновзаимодействующим частицам изолироваться друг от друга, частицы, несущие сильный заряд, всегда оказываются окруженными другими заряженными частицами, образуя нейтральные по отношению к сильному взаимодействию комбинации. Поэтому мы никогда не наблюдаем изолированные кварки. Наблюдаются только сильно связанные адроны и струи.
Великое объединение
В предыдущем разделе мы рассказали о зависимости сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий от расстояния. В 1974 году Джорджи и Глэшоу высказали смелое предположение, что все эти три взаимодействия изменяются с расстоянием и энергией так, что при высокой энергии они объединяются в единое взаимодействие. Авторы назвали свою теорию ТВО (аббревиатура теории Великого объединения). Поскольку симметрия сильного взаимодействия меняет местами три цвета кварков (как обсуждалось в гл. 7), а симметрия слабого взаимодействия меняет местами разные пары частиц, симметрия ТВО действует и меняет местами все типы частиц Стандартной модели — кварки и лептоны.
Согласно теории Великого объединения Джорджи и Глэшоу, на ранней стадии эволюции Вселенной, когда температура и энергия были экстремально большими (температура превышала сто триллионов триллионов (1026) градусов, а энергия была больше тысячи триллионов (1015) ГэВ), интенсивность каждого из трех взаимодействий была одинаковой, и все три негравитационные силы сливались в единую «Силу».
В процессе эволюции Вселенной температура падала, и единое взаимодействие расщепилось на три отдельных взаимодействия, каждое со своей зависимостью от энергии, следуя которой они эволюционировали в известные нам сейчас три негравитационных взаимодействия. Хотя изначально взаимодействия были единой силой, из-за разного влияния на каждое из них виртуальных частиц они завершили эволюцию с очень разными интенсивностями при низких энергиях.
Три взаимодействия похожи на тройню, родившуюся из одного оплодотворенного яйца, но выросшую и превратившуюся в трех довольно разных личностей. Один член тройни мог бы быть панком-рокером с выкрашенными волосами, закрученными в виде острых пичков, другой — морским пехотинцем, подстриженным под бобрик, а третий — художником с длинным конским хвостом. Тем не менее все имеют одинаковую ДНК, и в младенчестве их было трудно отличить друг от друга.
В ранней Вселенной три взаимодействия также были неразличимыми. Но они расщепились за счет механизма спонтанного нарушения симметрии. Точно так же, как механизм Хиггса расщепил электрослабую симметрию, оставив ненарушенным только электромагнитное взаимодействие, этот же механизм разрушил симметрию ТВО, оставив три отдельных взаимодействия, которые мы сейчас наблюдаем.
Единая интенсивность взаимодействия при большой энергии есть необходимое условие ТВО. Это означает, что три графика, представляющие интенсивность взаимодействия как функцию энергии, должны обязательно пересечься при одной и той же энергии. Но мы уже знаем, как зависят от энергии интенсивности трех негравитационных сил. Поскольку квантовая механика утверждает, что большое расстояние эквивалентно малой энергии, а малое расстояние — большой[120], результаты предыдущего раздела можно с равным успехом интерпретировать в терминах энергии. При низких энергиях электромагнитные и слабые взаимодействия менее сильны, чем сильное взаимодействие, но с ростом энергий они усиливаются, в то время как сильное взаимодействие ослабевает.
