James D. Bjorken
Stejně jako pro řadu ostatních je i pro mne Richard Feynman
zvláštním hrdinou. Stal se jím, když jsem na postgraduálu
studoval kvantovou elektrodynamiku. Kurs byl uspořádán historicky
a po dobu několika měsíců byl vyučován stylem třicátých let
z klasických Heitlerových učebnic s použitím nemoderní perturbační
teorie a Diracových matic 
a 
(ale ne 
).
Po tomto křestu ohněm následovalo zdánlivě nekonečné, ubíjející a
přebujelé množství formalismu pro kvantování pole. Když začaly
Feynmanovy diagramy, bylo to jako slunce, které spolu s duhou a
hrncem zlata vykouklo spoza mraků. Nádhera! Fyzikální a hluboké!
V mžiku jsem se stal jeho žákem.
Po mnoho následujících let se mé žáctví vyvíjelo jako u většiny
ostatních -- silným vlivem jeho článků a občasnou příležitostí
poslechnout si ho osobně. Později jsem však získal privilegium,
když jsem se po několik let věnoval těmtýž věcem jako on.
K tomuto přiblížení došlo následkem pozoruhodné historické série
experimentů týkajících se nepružného elektronového rozptylu a
prováděných ve spolupráci s MIT ve Stanfordu
(SLAC)
.
Tyto experimenty hrály rozhodující roli při odhalení existence
bodových kvarkových komponent protonu a Feynmanovy představy a
intuice poskytly velkou část teorie pro interpretaci experimentů.
Když ke konci šedesátých let začal program SLACu, snažil se Feynman postihnout vysokoenergetické srážky hadronů. Představou, kterou o typické reakci vytvořil, byla výměna komponent -- ty nazval partony -- mezi rychle se pohybujícími projektily. Primární základna jeho partonové představy byla empirická. Významnou evidencí bylo exponenciálou omezené rozdělení příčné hybnosti vzniklých a rozptýlených sekundárních částic. To naznačovalo, že převládá ``měkká'' interakce, tj. že dynamika probíhá především na vzdálenostech srovnatelných s velikostí protonu. Výměna komponent toto kritérium ``měkkosti'' splňuje velice dobře. Ve skutečnosti se nezaváděla vůbec žádná explicitní interakci a existovala jen interakce implicitní, která komponenty udržovala uvnitř protonu.
Inkluzivní procesy Teorie lokálního pole byla tehdy k popisu silných interakcí populární asi jako je dneska k popisu kvantové gravitace. Panovaly zlaté časy Regge-pole teoretiků. Věřilo se, že je důležité se v detailu věnovat procesům, ve kterých v konečném stavu nevystupují více než dvě částice. Vysokoenergetická limita příčného průřezu těchto srážek je přirozenou doménou použitelnosti Regge-pole teorie. Feynmanovy partony poskytly nový způsob k interpretaci Regge-pole představ. Ještě závažnějším byl Feynmanův vynález nového jazyka k popisu nepružných srážek, při nichž vznikají více než dvě částice.
Teoretici se tehdy vícečásticovým srážkám vyhýbali a dávali
přednost studiu procesů, v nichž se pozorují všechny vystupující
částice a jsou určeny všechny hybnosti. Feynman tyto procesy
nazýval ``exkluzivní'', aby zdůraznil rozdíl vůči procesům
``inkluzivním'', při nichž se v konečném stavu identifikuje
jedna (či několik) částic a jsou určeny jejich hybnosti, zatímco
všechny ostatní možnosti jsou uváženy dohromady. Takovéto procesy
teoretikové znali zřídka, přestože experimentální komunita o nich
věděla jako o ``paprskových průzkumech'' -- pracích, které se
dělaly při navrhování nových urychlovačů, aby bylo možno správně
umístit kanály sekundárních svazků a navrhnout radiační stínění.
Feynman přišel s tím, že inkluzivní rozdělení jsou teoreticky
zajímavá sama o sobě, a odvodil škálovací chování v proměnné
, což je poměr podélné hybnosti sekundární částice k její
maximální hodnotě, jež připouští zákon zachování
energie-hybnosti. Tvrdil, že rapidity (v podstatě
logaritmus hybnosti částice) je zvláště užitečná proměnná a že
rozdělení částic vzniklých ve vysokoenergetických srážkách je
v této proměnné v podstatě rovnoměrné.
Tuto původní motivaci Feynmanových partonů později nahradila motivace silnější. Došlo k tomu téměř náhodou. Feynman byl na návštěvě u své sestry v San Franciscu a náhodou se zastavil ve SLACu. Ukázali mu nejnovější data z elektron-protonového rozptylu a také fitování na škálovací zákon, který jsem jim poradil. Byl jsem zrovna mimo město a zmatenému Feynmanovi se od experimentátorů nepodařilo dozvědět, odkud se ten škálovací zákon bere -- ``to je něco z moderní algebry, sumační pravidla, Regge teorie ...''
Za večer však se svými partony spočítal, co se děje. Na proces nahlížel ze souřadné soustavy, ve které je terčový proton ultrarelativistický. Stejně jako v předchozích výpočtech nahradil proton v této soustavě ``svazkem'' jeho komponent či partonů. Předpokládal, že se elektron na těchto partonech rozptyluje pružně a partony že jsou bodová navzájem neinteragující kvanta. Na škálovací funkci, kterou jsem zavedl, nahlížel jako na zadání pravděpodobnosti, že ve vstupujícím protonovém svazku nalezneme parton s danou hybností, přičemž pravděpodobnost je váhována čtvercem náboje partonu.
Do SLACu jsem se vrátil, když byl Feynman před odchodem, a zjistil jsem, že nejen mezi teoretiky panuje vzrušení. Feynman mě zmerčil a začal mě bombardovat otázkami. Neustále říkal: `` Bezpochyby víte, že ... Samozřejmě, že víte ...'' O něčem jsem věděl, o jiném ne. A byly věci, které jsem já věděl a on ne. Živě si pamatuji na jazyk, jehož používal. Nebyl nezvyklý, ale byl výrazně odlišný. Byl to jednoduchý jazyk, kterému mohl kdokoli porozumět. Netrvalo dlouho a vagón s partonovým modelem se dal do pohybu.
Feynmanovy výpočty příčného průřezu elektron-protonového rozptylu byly využity k zobecnění řady elektromagnetických a slabých procesů. Svým myšlenkám se Feynman dále věnoval na Caltechu. Já jsem pracoval s Emmanuelem Paschosem a dalšími ve SLACu a spousta dalších se k nám připojila. Rozvinuly se metody k určení spinu partonů, jejich náboje a vlastností při slabých interakcích a časem se (nabité) partony ztotožnili s kvarky. Běh událostí byl řízen experimenty, zvláště elegantní, důmyslnou sérií měření elektron-protonového rozptylu ve spolupráci SLACu a MITu (viz [1]) a také neutrinovými experimenty v CERNu a ve Fermilabu.
Jak se kvark-partonový model uchytil, okamžitě vznikla otázka: Proč (anebo přinejmenším jak to, že) nebyl žádný neceločíselný náboj pozorován v troskách srážky? Tyto otázky se pro Feynmana i pro mne staly důležitými. A právě při tomto vývoji partonového modelu ``druhé generace'' šel můj vědecký život Feynmanovu nejblíže. Bylo pro mne trvalou výzvou, abych se snažil zjistit, jak on o daném problému přemýšlí nebo jak by o tom přemýšlel, kdyby se k němu dostal. Občas mi tento postoj pomáhal nalézt řešení. Přímo jsme komunikovali jen zřídka, ač jsem občas dostával nepřímé informace od těch, kteří byli na Caltechu na výzvědách.
Jednou moje snažení řídit se Feynmanovými způsoby přineslo opravdový úspěch. V přehledové přednášce o partonech a příbuzných věcech jsem ``Feynmanovy poznámky'' citoval s frekvencí jedna citace na jednu fólii, neboť jsem si myslel, že všechny ty věci udělal, ale nepublikoval. Posluchači tím byli nadšeni. Ale nejen že jsem ve skutečnosti nevěděl, co Feynman ví a co ne, dokonce jsem nevěděl, jestli svoje poznámky udržoval. (Později mi bylo řečeno, že existují pečlivé a kompletní záznamy jeho všednodenní práce.) Někdy později jsem se mu o té přednášce zmínil a on mi potvrdil, že s jedinou výjimkou (nepamatuji si, o co šlo) to všechno měl. Ta nepublikovaná práce zahrnovala kvantování ve světelném kuželi (s několika důmyslnými aplikacemi v kvantové elektrodynamice), nezávislou práci na rozvoji operátorového součinu a jeho ``kapalinovou analogii'', ve které se srovnávaly vlastnosti partonového (či hadronového) rozdělení v relativistickém fázovém prostoru s rozděleními obyčejných kapalin (těch, které mají jenom krátkodosahové korelace) v konfiguračním prostoru. (Představy kapalinové analogie světu odhalil Kenneth Wilson.)
Myšlení deduktivní versus induktivní Tato paralelní interakce s Feynmanem měla velký vliv na můj způsob myšlení ve fyzice. Problémy, které předkládal partonový model, se nedaly řešit metodami z Fyziky 101. Pro Feynmana bylo charakteristické, že se k fundamentálním otázkám partonového modelu stavěl přímo a od začátku. Například v jeho prvním článku o partonech psal [2]:
Tyto představy vznikly z teoretických zkoumání v řadě směrů a nepředstavují výsledek nějakého konkrétního modelu. Jsou výtažkem z toho, co z relativity, kvantové mechaniky a některých empirických faktů plyne téměř nezávisle na modelu. Tento příspěvek se mi píše obtížně, neboť to není deduktivní referát, a výsledek indukce. Jsem si více jist závěry než kterýmkoli z argumentů, které mne k nim přivedly, neboť mají takovou vnitřní konzistenci, jež mne překvapuje a jež převyšuje konzistenci mých deduktivních argumentů.
Síla partonového modelu nepocházela z lineární, deduktivní logické linie -- takové, kterou lze nalézt v obyčejném počítači -- ale naopak z mnohorozměrné logické sítě, která je typičtější pro lidský mozek. A tato situace nevystihovala jenom tvůrčí proces, ve kterém bývá běžná, ale i konečný produkt. Zarážející byla vnitřní konzistence mnoha přístupů. Tento přístup ke vědě á la domeček z karet lze jistě zpochybnit: Jeden dobrý argument je přeci jen lepší než 52 slabších, které se navzájem podpírají.
Uvědomil jsem si, že ve skutečnosti tento induktivní přístup převládal i v mé práci o škálování při nepružném elektronovém rozptylu. Ale tehdy jsem byl mladým asistentem a neměl jsem v něj příliš důvěry. Abych něco tvrdil, vyžadoval jsem čistou logickou linii (i kdyby měla být zkonstruována ex post facto), aby se vyhovělo úrovni řemesla. A takovéto logické linie se hledaly obtížně.
Feynmanův původní článek [2] o partonovém modelu nikde nezmiňuje slovo parton či protonová komponenta. Parton zavedl až v poněkud méně formálním referátu [3] na konferenci konané přibližně v téže době. A ta neurčitost se objevuje i v pozdější knize [4] Foton-hadronové interakce. Závěrečné strany knihy obsahují následující věty:
Postavili jsme velice vysoký domeček z karet. Spoustu slabě
podložených hypotéz jsme naskládali jednu na druhou a velký kus
toho všeho může být špatně ...
Nakonec poznamenejme, že i v případě, že náš domeček z karet
přežije a ukáže se jako správný, neukázali jsme tím existenci
partonů ...
Z tohoto pohledu se partony jeví jako přebytečné lešení, které
jsme použili při stavbě domečku.
Na druhou stranu jsou partony užitečným psychologickým vodítkem
k tomu, co máme čekat -- a když stále budou takto sloužit
k vytváření pravdivých očekávání, začnou se samozřejmě stávat
``reálnými'', snad stejně reálnými jako ostatní teoretické
struktury vynalezené k popisu přírody.
Z těchto vět se ta poslední stala nejvíce prorockou.
Stěží tady mohu uvést všechny důvody pro víru v partonovou ideologii. Řada výsledků byla založena na širokých principech většinou kinematické povahy. Jedním z hlavních rysů partonové představy je například pozoruhodně nerelativistický charakter ultrarelativistické limity. Vnitřní pohyby komponent vysokoenergetického hadronu se zpomalují v důsledku relativistické dilatace času, ale i samotná příčná dynamika vypadá nerelativisticky. Tuto skutečnost můžeme nahlédnout, když vztah pro hybnost-energii volné částice, která se rychle pohybuje ve směru z,
přepíšeme jako Hamiltonián příčné dynamiky
kde
představuje setrvačnost v závislosti (když 
) na celkové hybnosti částice.
Tato analogie představovala kvalitativní, intuitivní pohled na
problém, abstrahovaný z nerelativistické kvantové teorie.
Tato nerelativistická intuitivní představa o dynamice v ultrarelativistické limitě byla však jen jednou z řady přístupů. Jiným byla konzistence -- někdy nesnadně vyzískaná -- předpovědí, které dávalo studium dynamiky v různých souřadných soustavách. Dalším byl například souhlas předpovědí pro daný inkluzivní proces s předpověďmi pro sadu exkluzivních procesů, které dohromady tvořily zkoumaný inkluzivní proces. Heslo tohoto kritéria je dualita.
Čistý výsledek těchto druhogeneračních pokusů porozumět konečným stavům v takovýchto srážkových procesech se ukázal pozoruhodně nepozoruhodný: Měly by vypadat v podstatě stejně jako obyčejné srážky při stejné energii těžiště. Tato skutečnost nebyla pro teoretickou veřejnost ab initio očividná. Pro nepozoruhodnost tohoto výsledku vyvolala data, která ho potvrzovala, malou senzaci mezi experimentátory. Pro mne, a myslím že i pro Feynmana, byly však experimentální výsledky velice uspokojivé.
Je třeba znovu zdůraznit, že podstatným vstupním předpokladem při vývoji partonového modelu bylo, že silné interakce jsou ``měkké'', tj. charakterizované silou, jejíž dosah je srovnatelný s velikostí protonu. Jak se ukazuje, není tento předpoklad zcela správný. Kvantová chromodynamika (QCD) -- v současné době přijímaná teorie silných interakcí -- uvažuje mimo silné měkké síly ještě slabší tvrdou sílu, která se projevuje na mnohem kratších vzdálenostech. Je analogická coulombovské elektromagnetické síle s konstantou jemné struktury přibližně 1/7. Možnost existence takovéto tvrdé síly byla uvažována již dlouho před objevením se QCD. Feynman tuto hypotézu vždy starostlivě odděloval od základních hypotéz partonového modelu. Jak rosta přesvědčivost QCD, vypracoval (spolu s Richardem Fieldem) modifikace ``naivního'' partonového modelu, které si QCD vynutila. Nyní jsou základní představy partonového modelu integrovány do formalismu QCD do té míry, že většina teoretiků považuje partony za její zřejmý důsledek. Vím, že tímto příběh ještě neskončil. To co zbývá vykonat, je však otázkou rigoróznosti a detailu. Partonový přístup nezastará.
Poté, co se objevila QCD, se mé zájmy vzdálily od Feynmanových. I v době, kdy jsme měli společné zájmy, jsem se s Feynmanem osobně setkával jen málo. Náš vztah byl vlídný, ne však blízce osobní. Nemyslím tím, že bych se necítil Feynmanovi blízko. Něco z něj ve mně hluboce zakotvilo a navždy tam zůstane. A navždycky to budu chránit.
Reference