Читать книгу "Наука. Величайшие теории. Выпуск 6. Когда фотон встречает электрон. Фейнман. Квантовая электродинамика - Мигуэль Ангел Сабадел"

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.