Обращаясь к природе сильных ядерных взаимодействий, первым делом важно отметить следующий факт. Все частицы, участвующие в электромагнитных взаимодействиях – вроде протонов, электронов, фотонов – на сегодняшний день практически ни у кого не вызывают сомнений в реальности своего существования. Ибо это многократно подтверждено в самых разных экспериментах. Но того же, увы, совершенно нельзя сказать о частицах-участниках сильных взаимодействий – разного рода кварках и связывающих их глюонах – положенных теоретиками в основу строения протонов, нейтронов и атомных ядер в целом.

Кварки и глюоны в свободном состоянии нигде и никогда не наблюдаются в принципе. И при этом обладают целым рядом «неправильных» квантовых свойств, словно размывающих четкую разницу между фундаментальными категориями частиц – фермионами и бозонами. Кварки несут дробный электрический заряд в размере 1/3 и 2/3 от заряда электрона и нарушают принцип запрета Паули, не допускающий для фермионов совместное нахождение в едином квантовом состоянии (из-за чего пришлось изобрести новые квантовые характеристики, разводящие кварки по разным состояниям). Глюоны, в свою очередь, нарушают правила, установленные для бозонов. Являясь переносчиками сильных ядерных взаимодействий, они оказываются не нейтральными, а сами подверженными их воздействию.

В рамках теории квантовой хромодинамики эти и многие другие несуразности более или менее успешно разрешены с помощью подгона математических формул под результаты экспериментов, однако физика процессов, описываемых уравнениями, от этого не стала яснее. С другой стороны, в областях, достаточно далеких от физики высоких энергий и квантовой хромодинамики, за последние десятилетия получены весьма красивые результаты, не просто созвучные проблемам и загадкам сильных ядерных взаимодействий, но и проясняющие именно природу квантовых процессов. Речь идет, по преимуществу, о физике твердого тела и экспериментах в области сверхнизких температур, где удивительные квантовые эффекты удается воспроизводить в макромасштабах и измерять с высочайшей точностью.

Но начало этой истории, наверное, следует отсчитывать с 1977 года, когда два молодых норвежских физика, Лейнаас и Мюрхейм, опубликовали работу [1], поколебавшую фундаментальные основы квантовой механики. До них всеми предполагалось, что любые частицы и их ансамбли могут принадлежать лишь одному из двух классов – фермионов с полуцелым спином или бозонов с целочисленным спином. Сомнений не было, потому что для трехмерного пространства и большего числа измерений этот факт имеет строгое математическое доказательство. Но Лейнаас и Мюрхейм подошли к задаче с другой стороны, заинтересовавшись тем, как выглядит квантовая физика на плоскости, то есть в условиях лишь двух измерений. И обнаружили, что здесь заряды, спины и другие квантовые характеристики частиц вовсе не обязательно должны появляться как целочисленные кратные фундаментальной единицы. Иначе говоря, возможны произвольные дробные значения спинов и зарядов – как некие промежуточные места в интервале между фермионами и бозонами.

*

Важная работа никому неведомых норвежских теоретиков, как это часто бывает, поначалу прошла в научном мире совершенно незамеченной. Но пятью годами позже те же самые по сути результаты независимо получил будущий нобелевский лауреат Фрэнк Вилчек [2]. Именно он дал «промежуточным» двумерным частицам прочно закрепившееся за ними имя «энионы» – как производное от английского ANYthing, «что угодно». Также Вилчек ввел для энионов модель трубки потока, где эти квазичастицы имели вид точечных вихрей с собственным электрическим зарядом и магнитным потоком. Построенная на такой основе теория нагляднее демонстрировала, что поведение энионов можно трактовать и как взаимодействие бозонов, и как взаимодействие фермионов. В итоге же данная работа 1982 года сумела привлечь куда большее внимание коллег, обеспечив интерес и к новаторской работе норвежцев.

Повышенное внимание к «абстрактным» и, казалось бы, оторванным от реальности проблемам квантовой теории в плоском мире был вызвано значительными открытиями в экспериментальной физике твердого тела. В 1980 году Клаус фон Клитцинг открыл квантовую разновидность эффекта Холла, хорошо известного в физике с XIX века как изменение проводимости твердого проводника, помещенного в магнитное поле. Клитцинг же установил, что в экстремальных условиях сверхнизких температур и сильных магнитных полей, когда в полупроводнике удается создать двумерный «электронный газ», эффект Холла заметно меняет характер, так что процесс изменения проводимости из непрерывного превращается в ступенчато-скачкообразный. При этом в пределах каждой ступеньки величина «проводимости Холла» является целочисленным кратным от заряда электрона и постоянной Планка. Зависимость эта настолько строгая и стабильная, что на основе квантового эффекта Холла (КЭХ) был введен международный эталон единицы электрического сопротивления.

А спустя всего 2 года после открытия КЭХ экспериментаторы в США (Д. Цуи, Х. Штермер и А. Госсард) получили крайне неожиданный результат, измеряя эффект Холла в условиях еще более сильных магнитных полей. Оказалось, что при таких условиях в ступеньках проводимости Холла появляются дополнительные плато, соответствующие дробным значениям 1/3 и 2/3 от базовой единицы проводимости. Объяснение дробного квантового эффекта Холла или ДКЭХ оказалось для теоретиков куда более непростой задачей, поскольку появились подозрения, что такие результаты косвенно указывают на присутствие носителей с дробными значениями от единичного заряда электрона. Ничего подобного прежде в экспериментах никогда не наблюдалось.[3]

Наиболее удачное объяснение ДКЭХ выдвинул Роберт Лафлин, по гипотезе которого дробное квантование проводимости Холла – это проявление нового состояния материи, «электронной жидкости» [4]. Было предположено, что под действием особо сильного магнитного поля двумерный электронный газ переходит в фазу несжимаемой квантовой жидкости, в плоскости которой элементарные возбуждения-вихри имеют дробный электрический заряд. Поначалу такие элементарные возбуждения Лафлин полагал фермионами, другие авторы полагали их бозонами, но в конечном итоге было показано, что на самом деле эти квазичастицы являются энионами, действительно несущими дробные электрические заряды и подчиняющимися законам дробной (а не фермионной или бозонной) статистики.

**

На протяжении двух десятков лет ДКЭХ был фактически единственным экспериментальным фактом, подтверждающим теорию энионов. Очень большие надежды на энионное объяснение высокотемпературной сверхпроводимости, увы, не оправдались. Поэтому обостренный интерес ученых к данному направлению исследований в конце 1990-х заметно ослабел. Но нельзя сказать, что угас. В 2005 году, в частности, появились сообщения сразу о двух новых и независимых экспериментах [5], подтверждающих реальное существование энионов с дробными электрическими зарядами в планарных полупроводниковых структурах, охлажденных почти до абсолютного нуля и помещенных в сильное магнитное поле. Теперь этот надежно установленный эффект надеются использовать при конструировании топологических квантовых компьютеров будущего.

Здесь же, в контексте Картезианских игр, интерес представляет не столько практическая применимость феномена, сколько особенности того эксперимента, что был устроен для изучения энионов в нью-йоркском университете Stony Brook группой Владимира Голдмена. В планарном галлий-арсенидном полупроводнике, охлажденном ниже 1 градуса Кельвина и помещенном в сильное магнитное поле, исследователи создали двухмерный электронный газ с различными типами квазичастиц в разных областях. Было продемонстрировано, что центральный круглый «остров» заполнен вихрями-квазичастицами, имеющими одну пятую от заряда электрона, а узкое кольцо вокруг этого острова занимают квазичастицы с зарядом в одну треть. Измерения перемен в электрической проводимости вокруг кольца показали, что квазичастицы в кольце и «острове» могут стабильно рождаться и исчезать лишь группами определенной численности. А это и означает, что наблюдаемые вихри-квазичастицы действительно являются энионами.

Картину этого эксперимента интересно сравнить с результатами открытия, сделанного почти в то же самое время, но совершенно в другой области исследований – в метеорологии. В сентябре 2003 года в Атлантическом океане и на восточном побережье США бушевал свирепый ураган Изабель. Эволюция этого урагана отслеживалась из космоса с помощью геостационарного спутника GOES-12, который сделал несколько десятков снимков неистовой стихии. В ходе анализа этих фотографий ученые впервые обнаружили редкий феномен – систему вращающихся вихрей в центре урагана. Число этих образований, получивших название «мезовихри», изменялось с течением времени от 8 до 3, сопровождаясь заметными изменениями их размера и скорости вращения.[6]

Это открытие сильно взволновало метеорологов, потому что реально подтвердило уже имевшуюся гипотезу относительно загадки гигантского и плохо предсказуемого возрастания мощи некоторых ураганов. Опираясь на общие уравнения движения атмосферных масс в условиях двухмерной модели и результаты соответствующих числовых экспериментов на компьютере, американские исследователи Коссин и Шуберт показали, каким образом через образование мезовихрей в непосредственной близости от «глаза» общая масса урагана способна раскручивается значительно сильнее, нежели предполагалось прежде.

***

Нельзя, конечно, говорить, что загадки ураганов теперь удалось разрешить полностью. В частности, не совсем ясно, что именно отличало Изабель от других тропических циклонов и вследствие каких природных причин в сердцевине мощных ураганов образуются мезовихри. Но вряд ли это может служить помехой для обобщенных рассуждений в картезианском духе. И предположить, что описанная вихревая динамика имеет много общего с другой большой проблемой современной физики – «спиновым кризисом» протона или, иначе, непонятным энергетическим источником для 70-80% спина протона. Эту долю, можно напомнить, как «остаток» от вклада 3 кварков валентности, сейчас принято возлагать на совокупный спин глюонов и орбитальный угловой момент вращения всей энергии в протоне, включая весь зоопарк квантовой хромодинамики – странных кварков, кварк-антикварковых пар и так далее.

Понятно, что аналогия с процессами в земной атмосфере наводит на мысль о «плоских» кварках валентности. А также о том, что и все прочие частицы сильных взаимодействий, вероятно, существуют в плоских двумерных слоях нуклона. То есть там, где – как и в атмосфере Земли – поперечный размер образований значительно превышает их глубину. Эта идея представляется тем более правдоподобной, если сопоставить свойства плоских квазичастиц-энионов и частиц квантовой хромодинамики: «не-совсем-фермионы» кварки с их дробными электрическим зарядами и «не-совсем-бозоны» глюоны с их цветовыми зарядами.

Аналогию между сложной многослойной динамикой протона и феноменами процессов в оболочках Земли можно сделать еще более глубокой, если принять во внимание давнее открытие Раймонда Хайда под названием васцилляция. То есть циклическое явление самоорганизации или периодически сменяющих друг друга фаз – когда во вращающейся системе режим общего упорядоченного переноса массы (энергии) сменяется режимом турбулентных вихрей «циклонов» и «антициклонов», после чего эти вихри вновь возвращаются в регулярную фазу, продолжая нескончаемый цикл «качания».[7]

Спроецировав данную картину на теорию квантовой хромодинамики, можно увидеть, что кварки и глюоны оказываются, по сути дела, не разными частицами, а скорее проявлениями разных фаз в сложном, но едином процессе вращения энергии в протоне. Иными словами, можно говорить о двойственной природе квазичастиц-энионов внутри нуклона, в разные моменты ведущих себя либо как почти бозоны, либо как почти фермионы. Эту идею относительно природы сильных ядерных взаимодействий по вполне очевидным причинам разумно назвать «принципом дуализма Хайда».

←Ранее

↑На уровень вверх↑

Далее→

[1] J. M. Leinaas and J. Myrheim, “On the Theory of Identical Particles”, Nuovo Cimento 37B, 1-23 (1977)

[2] F. Wilczek, «Magnetic Flux, Angular Momentum, and Statistics,» Phys. Rev. Lett. 48, 1144 (1982)

[3] D. C. Tsui, H. L. Stoermer, and A. C. Gossard. “Two-Dimensional Magnetotransport in the Extreme Quantum Limit”, Phys. Rev. Lett. 48, 1559, May 1982

[4] R. B. Laughlin. “Anomalous Quantum Hall Effect: An Incompressible Quantum Fluid with Fractionally Charged Excitations”, Phys. Rev. Lett. 50, 1395, May 1983

[5] F. E. Camino, Wei Zhou, and V. J. Goldman. «Realization of a Laughlin Quasiparticle Interferometer: Observation of Fractional Statistics». Phys. Rev. B 72, 075342 (August 2005) ; Eun-Ah Kim, M. Lawler, S. Vishveshwara, and E. Fradkin. «Signatures of Fractional Statistics in Noise Experiments in Quantum Hall Fluids». Phys. Rev. Lett. 95, 176402 (October 2005)

[6] J. P. Kossin and WH Schubert. “Mesovortices in Hurricane Isabel”, Bulletin of the American Meteorological Society, February 2004, pp 151-153

[7] R. Hide. “Geomagnetism, ‘vacillation’, atmospheric predictability and ‘deterministic chaos’”, Pontifical Academy of Sciences Acta, 18, 257-274, 2006