Фундаментальные силы - занимательный квартет

В 1939 г. в строжайшей тайне в Принстон приехал Нильс Бор. Он недавно узнал, что фашистская Германия хочет одной из первых научиться делить ядра урана и других массивных элементов. В воздухе витал немой вопрос, попробует ли Гитлер превратить неконтролируемую энергию атомных ядер в смертельное оружие. Бор вместе с Джоном Уилером пытались лучше изучить ядерное деление и построить модель, как ядро деформируется и разлетается на осколки.

Из уважения Бор посетил одну из лекций Эйнштейна по теории объединения. Эйнштейн там рассказывал о своей новой математической схеме, позволявшей описать гравитацию наряду с электромагнетизмом. Ядерные силы в ней не упоминались, да и к квантовой механике она не имела отношения. Говорят, Бор посреди доклада незаметно вышел. Его, как и почти всех тогда, интересовали теперь другие вещи. На переднем крае науки было атомное ядро.

Ядерная физика в то время перешла в основном в политическую плоскость. Годом ранее Отто Хан - немецкий химик, входивший в группу Резерфорда в Макгилле, - в сотрудничестве с Лизой Мейтнер и Фрицем Штрассманом обнаружил, что ядро одного из изотопов урана можно расщепить, если бомбардировать его нейтронами. Вскоре после этого Мейтнер сбежала от нацистов, которые только что аннексировали Австрию, и принесла весть об открытии своему племяннику Отто Фришу, работавшему с Бором. Бора совсем не обрадовала перспектива того, что фашисты могут благодаря этой находке сделать бомбу. Его беспокойство разделяли и остальные посвященные в тайну. Их тревога возросла еще больше, когда Сцилард и итальянец Энрико Ферми продемонстрировали, что распавшееся урановое ядро испускает новые нейтроны, которые могут попасть по соседним ядрам, расщепить их и запустить цепную реакцию, высвободив таким образом немыслимое количество энергии. Сцилард написал письмо Рузвельту и убедил Эйнштейна тоже под ним подписаться. В итоге был организован «Манхэттенский проект», и Америка взялась за разработку атомной бомбы.

Ядро оставалось тайной за семью печатями. Что его держит? Почему оно распадается, как распадается? Из-за чего одни изотопы менее устойчивы, чем другие? И почему это нейтронов в атомах, как правило, намного больше протонов? Что ядрам природных элементов как будто бы мешает вырасти больше определенного размера? Можно ли в лаборатории создать ядро любого заданного размера?

Одним из первопроходцев, пустившихся на поиски ответов на эти вопросы в смутные годы Второй мировой войны, стал Ферми. Он родился в Риме 29 сентября 1901 г. и с детства прослыл вундеркиндом. Маленький Энрико схватывал математику и физику с молниеносной быстротой. В 10 лет его к себе влекли тонкости геометрических уравнений вроде уравнения окружности. После трагической смерти старшего брата-подростка Энрико по-своему справлялся с горем: с головой ушел в книги, благодаря чему его знания теперь росли не по дням, а по часам. Долго не засиживаясь ни на школьной, ни на университетской скамье, в возрасте 21 года он уже был обладателем докторской степени Пизанского университета. В середине 20-х гг. Ферми успел побывать в Гёттингене, Лейдене и Флоренции, а потом пошел в Римский университет преподавать физику.

Важным вкладом Ферми в ядерную физику и физику элементарных частиц стала в 1933 г. первая математическая модель бета-распада. Ферми к ней подтолкнула гипотеза нейтрино, незадолго до этого впервые публично высказанная Паули на Седьмом Сольвеевском конгрессе. Паули объяснил, что, когда происходит радиоактивный распад ядра в бета-лучи, обязательно должна рождаться ускользающая от экспериментаторов незаряженная и почти невесомая частица, ответственная за недостаток энергии. Ученый сначала ее называл нейтроном, но когда был открыт настоящий, «тяжелый» нейтрон, Паули принял предложение Ферми и решил взять итальянскую уменьшительно-ласкательную форму. А Ферми принялся рассчитывать процесс распада. Хотя в его модели, как потом оказалось, отсутствовали некоторые важные звенья, в ней впервые была приоткрыта завеса над совершенно новой силой природы - слабым взаимодействием. Как раз эта сила вызывает превращения определенных частиц друг в друга, приводя к неустойчивости, например к бета-распаду.

Эмилио Сегре, физик, работавший вместе с Ферми, вспоминал: «Об этой теории Ферми впервые рассказал в кругу друзей, когда мы проводили рождественские каникулы 1933 г. в Альпах. Это было вечером, и все мы сидели на одной кровати в номере отеля; день был целиком отдан лыжам, и я едва мог сидеть тихо - все у меня болело после нескольких падений на фирне. Ферми полностью сознавал, сколь важного успеха он добился, и сказал, что это лучшая его работа и, как он думает, о нем будут помнить по этой работе»⁴³.

В модели Ферми бета-распад представляет собой процесс обмена между частицами, встретившимися в одной точке. Например, протон подходит к электрону и передает ему свой положительный заряд. Сам он при этом становится нейтроном, а электрон превращается в нейтрино. Или же протон может избавиться от своего заряда и стать нейтроном, дав также жизнь позитрону и нейтрино. Есть и третий путь: нейтрон дает протон, а спутниками идут электрон и антинейтрино (античастица нейтрино). В любом случае частицы подходят друг к другу поближе и делают передачу. Это как в футболе: к игроку с мячом подбегает футболист команды-противника, отбирает мяч и удаляется в неизвестном направлении.

В электромагнетизме два электрических тока (потоки зарядов) действуют друг на друга посредством обмена фотонами. Фотон - частица электрически нейтральная, а значит, в процессе взаимодействия передачи заряда не происходит. Благодаря фотонному обмену токи лишь могут начать - в зависимости от направления скорости зарядов - либо притягиваться, либо отталкиваться.

Если говорить на современном языке, фотон - это переносчик электромагнитного взаимодействия. Переносчики, в том числе фотон, относятся к классу частиц под названием бозоны. Мельчайшие кирпичики материи - как нам сегодня известно, это кварки и лептоны - все являются фермионами. Если фермионы - это кости и мускулы тела, то бозоны - это нервные импульсы, запускающие тело в ход.

Что касается слабых сил, Ферми заметил, что два «тока», один из протонов и нейтронов, второй из электронов и нейтрино, в процессе взаимодействия могут обмениваться между собой зарядом и менять свою сущность. То есть Ферми расширил понятие тока с течения движущихся зарядов на поток любых частиц, меняют они в процессе взаимодействия какие-то свои свойства или нет.

Точно так же, как масса служит мерой воздействия силы тяготения, а заряд определяет интенсивность электромагнитных сил, слабая константа связи Ферми (именно он ввел этот множитель) служит мерой слабого взаимодействия. Ферми этим воспользовался, когда выводил метод, известный как «золотое правило» Ферми. Оно позволяет вычислить вероятность реализации конкретного распадного процесса. Так, ни с того ни с сего, в давно сложившуюся компанию гравитационного и электромагнитного взаимодействий вторгся незваный гость. В то время никто не догадывался, как наладить отношения между новеньким и старожилами.

Не хватало еще, чтобы в 1934 г. японский физик Хидэки Юкава постулировал наличие четвертого фундаментального взаимодействия и тоже на ядерных масштабах. Бета-распад - сравнительно редкое явление, но между протонами и нейтронами, заметил Юкава, есть более тесная связь. Она и гораздо чаще встречается в природе, и значительно крепче. Вместо распада она, наоборот, стремится связать частицы воедино. Если слабые силы приводят к развалу, то что-то более мощное должно работать им в противовес, иначе почти все частицы распались бы. Чтобы отличать фермиевские силы от ядерного взаимодействия Юкавы, второе стали называть сильным.

В сильном взаимодействии возникла необходимость, когда задумались, почему нуклоны (частицы в ядре) так компактно упакованы. Это тем более удивительно в отношении одноименно заряженных протонов. Если б других сил не было, протоны бы и близко друг к другу не подошли. Сила электростатического отталкивания стремилась бы их развести как можно дальше. Это как пытаться приставить вплотную два северных магнитных полюса. Вместе с уменьшением расстояния у обоих протонов растет желание сбежать куда-нибудь далеко-далеко. Почему же они все-таки уживаются в битком набитом ядре размером в какие-то ничтожные 10 ^-13 см?

Юкава, появившийся на свет в Токио 23 января 1907 г., рос в такое время, когда японское физическое сообщество находилось в глубокой изоляции и почти не имело контактов с европейскими учеными. Его отец, университетский преподаватель геологии, всячески поддерживал научные увлечения сына. Еще в период учебы в Киотском университете (там же работал его отец) Юкава умел творчески подойти к математическим головоломкам. Благодаря как раз творческому подходу он фактически стал основателем теоретической школы у себя на родине. Еще в аспирантуре, когда ему было 27, Юкава придумал изящный способ описания ядерных взаимодействий, который лег в основу модели, подходящей под все силы природы.

Юкава отметил, что, в отличие от электромагнитных сил, простирающихся на любые расстояния, ядерные быстро сходят к нулю. Взять хотя бы железное ядро Земли: его магнитное воздействие ощущают на себе компасы, находящиеся за тысячи километров. А вот «вязкости» ядерных сил едва хватает на то, чтобы удержать частицы в радиусе одной триллионной длины блохи. Эту разницу в масштабах Юкава приписал типу бозона, который переносит взаимодействия. (Бозоны, напомним, - это нечто вроде вселенской нервной системы, передающей сигналы.) Фотон, безмассовый бозон, отвечает за поле электрических токов, заполняющее пространство вплоть до самых больших расстояний. Если бы у него была масса, радиус взаимодействия оказался бы существенно меньше. Дело в том, что спад электростатической силы по закону обратных квадратов, следующему из уравнений электромагнитного поля Максвелла, происходил бы в соответствии с функцией с крутым экспоненциальным завалом. Для наглядности можно представить, как будто игрокам во фрисби вместо обычного диска, с легкостью летающего туда-обратно, вручили свинцовую гирю. Если после этого они захотят продолжить игру, им, конечно, придется подойти вплотную друг к другу.

Заменив электрический заряд ядерным, а фотоны - мезонами (массивными бозонами), Юкава нашел способ описать компактное, почти точечное взаимодействие между нуклонами. Стало понятно, почему ядерным силам удается крепко-накрепко зацементировать ядро, хотя за его пределами они мгновенно ослабевают. Для этого механизма нужна была самая малость: новая, никому не известная частица. Но если гипотетический позитрон Дирака в конце концов нашли, чем мезон хуже?

Однако природа иногда играет с нами злые шутки. В 1936 г. Карл Андерсон в потоке космических лучей заметил странную частицу. Магнитное поле отклоняло ее слабее, чем протоны, но сильнее, чем электроны с позитронами, а значит, ее масса лежала где-то посередине. У Андерсона незнакомка получилась в двести с небольшим раз тяжелее электрона. Все указывало на то, что заветная мечта физиков-ядерщиков исполнилась. Масса новой частицы хорошо согласовывалась с оценками Юкавы, дававшими массу переносчика сильного взаимодействия, и физики склонны были верить, что и вправду нашли недостающее звено.

Как бы то ни было, сходство между космическим пришельцем и гипотетической частицей Юкавы оказалось чисто случайным. Дальнейшие эксперименты показали, что новая частица совпадает с электроном по всем параметрам, кроме массы. То есть она к тому же лептон, а лептоны, в отличие от адронов - частиц, ощущающих на себе ядерные силы, - вообще не участвуют в сильных взаимодействиях. (Названия «лептон» и «адрон» - на греческом, соответственно, «легкий» и «тяжелый» - не всегда себя оправдывают: лептоны бывают тяжелее адронов.) Найденную Андерсоном частицу потом окрестили мюоном, чтобы не путать ее с частицей-переносчиком Юкавы. «Ну и кто его приглашал?» - таким риторическим вопросом физик Исидор А. Раби отреагировал на открытие мюона, не подходившего ни под одну из существовавших тогда теорий и казавшегося в научном мире незваным гостем.

Настоящих мезонов пришлось ждать больше десяти лет. В этот период не так уж много физиков-ядерщиков занимались чистой наукой - в войну они себе такую роскошь позволить не могли. Но когда пришел мир, исследования в физике элементарных частиц возобновились с новой силой.

В 1947 г. группа ученых под руководством Сесила Пауэлла из Бристольского университета (Англия) впервые различила треки мезона среди следов космических лучей на фотопластинке. Пауэлл родился 5 декабря 1903 г. в английском Тонбридже (графство Кент). Детство у него было трудное. Его дед, оружейный мастер, однажды по роковой случайности выстрелом лишил человека зрения. Последовал иск, а за ним банкротство. Отец Пауэлла попробовал возродить семейное дело, но с входившими в строй конвейерами конкурировать было бесполезно.

Сам Пауэлл, к счастью, выбрал себе другое поприще. Получив в 1921 г. в Кембридже стипендию, он поговорил с Резерфордом и попросился в кавендишскую группу аспирантом. Резерфорд принял его и в научные руководители к нему назначил Вильсона. Вскоре Пауэлл уже без труда собирал камеры Вильсона и с их помощью регистрировал частицы.

В середине 1930-х гг. Пауэлл вслед за Кокрофтом и Уолтоном построил собственный ускоритель и стал рьяно изучать столкновения между высокоэнергетичными протонами и нейтронами. К тому времени он уже обитал в Бристоле. Осколки столкновений Пауэлл сначала отслеживал в камерах Вильсона, но потом увидел, что особая фотоэмульсия (покрытый солями йода бромид серебра) дает более качественные изображения. На обработанных химическим раствором пластинках, которые Пауэлл ставил на пути потоков частиц, все распады оставляли след в виде черной «звездочки» на прозрачном фоне. Звездочка давала наглядную картину столкновения. А длина треков на фотопластинке позволяла достоверно судить об энергии осколков: ее недостаток указывал на присутствие контрабандистов вроде нейтрино, норовящих утащить с собой часть энергии.

В 1945 г к бристольской группе присоединился итальянский физик Джузеппе Оккиалини, а через год вызвал к себе одного из своих лучших учеников Сезара Латтеса. Вместе с Пауэллом они пошли на многое, чтобы распутать тайны космических лучей. Они брали тщательно завернутые фотопластинки и поднимались с ними на головокружительные высоты, в том числе во французских Пиренеях, куда их доставлял самолет Королевских ВВС Великобритании. Там ученые подставляли пластинки под напор небесных пришельцев, а потом с безмерным удивлением смотрели на замысловатую паутину высеченных частицами штрихов - воистину генеалогическое древо субатомных рождений, жизней и смертей.

Пауэлл потом вспоминал: «Когда мы привезли их [фотопластинки] в Бристоль и проявили, мы со всей очевидностью увидели: перед нами открывается новый, неизведанный мир. После проявки в следе от медленного протона выступило столько зерен, что он напоминал серебряный жезл, а крошечный участок эмульсии под микроскопом кишел осколками от столкновений частиц, которые по энергии значительно превосходили все то, что тогда удавалось получить искусственным путем. Было такое ощущение, будто мы вторглись в крытую оранжерею, где под защитой крепких стен нежатся деревья, усыпанные наливающимися соком экзотическими фруктами»⁴⁴.

Среди всего этого разнообразия внимание ученых привлекла одна частица средних размеров, которая останавливалась и превращалась в другую. Словно обычный мюон появлялся из чуть более тяжелой разновидности. Однако к тому времени из ряда экспериментов было хорошо известно, что, распадаясь, мюон рождает электроны, но никак не другие мюоны. Поэтому экспериментаторы заключили, что родительская частица должна иметь иное происхождение. Авторы открытия дали ей имя «пи-мезон» (коротко его теперь называют просто пионом). Именно его вскоре отождествили с предсказанным Юкавой переносчиком ядерных сил.

Примерно в это же время Джордж Рочестер из Манчестерского университета на изображениях, полученных в камере Вильсона, обнаружил более тяжелую разновидность мезона, нейтральный каон. В его распаде, оставляющем след в форме буквы V, рождается два пиона: положительно и отрицательно заряженный. Физикам не составило труда понять, что пионы и каоны бывают трех типов: положительные, отрицательные и нейтральные, причем нейтральные каоны сами делятся на два класса с разным временем жизни.

Открытие мезонов имело настолько большое значение, что Нобелевская премия прилетела в руки к Пауэллу со скоростью света - в 1950 г., всего три года спустя. А Оккиалини в 1979 г. была присуждена еще одна престижная награда, Премия Вольфа. Вторым лауреатом в том же году стал Георг Уленбек.

Достижение бристольских ученых ознаменовало собой расцвет эпохи Кавендиша в экспериментальной физике элементарных частиц. А подавляющим большинством результатов, полученных с 1950 по 1970 г., мы обязаны американским ускорителям, особенно потомкам лоуренсовского циклотрона. Итогом бурного периода экспериментов стало осознание того, что «оранжерея элементарных частиц» и правда изобилует причудливыми фруктами.

Пока в физике высоких энергий - так стали называть экспериментальную ветвь физики элементарных частиц - число регистрируемых субатомных событий росло не по дням, а по часам, многие физики-ядерщики примкнули к астрономам, чтобы вместе понять, как образуются природные химические элементы. В 1939 г. вышла знаковая статья физика Ганса Бете «Генерация энергии в звездах». В ней Бете продемонстрировал, что источником звездной энергии может служить термоядерный синтез, процесс слияния мелких ядер в более крупные. Два ядра водорода превращаются в дейтерий (тяжелый водород), дейтерий подбирает еще одно ядро водорода и дает гелий-3, и, наконец, два гелия-3 сливаются в гелий-4 с испусканием пары протонов - таковы основные звенья цикла, благодаря которому звезды вырабатывают свою гигантскую энергию и светят. Бете предложил и другие циклы с участием более тяжелых элементов (скажем, углерода).

В 1948 г. Георгий Гамов (уже сотрудник Университета им. Джорджа Вашингтона), подавая в печать свою с Гансом Алфером статью «Происхождение химических элементов», в качестве шутки вписал Бете в соавторы. Хотя истинными авторами являлись Алфер и Гамов, они прибегли к имени Бете, чтобы получилось созвучие с первыми тремя буквами греческого алфавита (альфа, бета, гамма). Иногда эту работу называют «алфавитной статьей».

Главной предпосылкой теории Алфера и Гамова о зарождении элементов является представление о том, что Вселенная возникла из невероятно плотного и сверхгорячего состояния, которое Фред Хойл прозвал Большим взрывом. (Хойл, будучи противником теории Большого взрыва, пытался выбрать название пообидней, но оно тем не менее прижилось.)

Гипотезу о том, что Вселенная когда-то была безумно маленькой, первым высказал бельгийский математик и священник Жорж Леметр. Серьезный фундамент под нее подвели наблюдения американского астронома Эдвина Хаббла, обнаружившего, что далекие галактики от нас удаляются, а следовательно, пространство расширяется. Алфер и Гамов предположили, что гелий, литий и более тяжелые элементы вышли из огненного горнила новорожденной Вселенной.

Как оказалось, они угадали с гелием, но ошиблись насчет других элементов. Молодая Вселенная действительно была достаточно разогрета, чтобы из водорода синтезировать гелий, но потом в процессе расширения она сильно охладилась и не смогла бы родить столько тяжелых элементов, сколько мы наблюдаем. Стало быть, углерод и кислород в растениях и животных идут не от Большого взрыва. А именно на роль котла, где варятся элементы тяжелее гелия, Хойл с тремя своими коллегами предложил адское пекло звездных ядер, которые после взрыва - вспышки сверхновой - выбрасывают эти элементы в космос.

Гамова сбила с толку сама возможность того, что за происхождение элементов могут отвечать два разных механизма. Верный своей юмористической манере, он выразил свою озадаченность и разочарование в пародии на библейский текст - поэме «Новая Книга Бытия».

«В начале, - гласит стих, - Бог создал излучение и илем (правещество)». Затем идет описание того, как Бог один за другим творит химические элементы, просто-напросто называя по порядку их массовые числа. К несчастью, на числе пять Бог запинается, подвергая опасности всю свою затею. Но вместо того чтобы начать заново, Он находит другой выход из положения: «И сказал Бог: “Да будет Хойл”… и повелел ему сделать тяжелые элементы так, как тому будет угодно»⁴⁵.

Несмотря на неудачу с тяжелыми элементами, теория Большого взрыва дала необычно плодотворное объяснение происхождения Вселенной. Важной вехой, добавившей в копилку теории доказательств, стало обнаружение в 1965 г. Арно Пензиасом и Робертом В. Вильсоном реликтового излучения. Наставленная ими в небо рупорная антенна независимо от направления регистрировала постоянный радиошум с температурой около 3 градусов выше абсолютного нуля (нижнего предела температуры). Изучив результаты этих наблюдений, ученый из Принстона Роберт Дикке продемонстрировал, что распределение и температура радиошума полностью согласуются с представлением о горячей расширяющейся Вселенной, которая со временем остывает.

В 1990-х и в 2000-х гг. на орбиту были запущены спутники СОВЕ («Спутник для изучения реликтового фона») и WMAP («Зонд им. Уилкинсона для исследования анизотропии микроволнового фона»). Как видно из их названий, они занимались (WMAP до сих пор занимается) составлением подробной карты реликтового излучения. В частности, они позволили заметить, что хоть микроволновое излучение и невероятно однородное, оно испещрено горячими и холодными пятнышками - свидетельство того, что в ранней Вселенной уже содержались зачатки будущей структуры: звезд, галактик и остальных астрономических объектов. Эта карта температуры, отображенная в условных цветах, получила прозвище «детское фото Вселенной».

На «детском фото» запечатлена особая эпоха в истории Вселенной, отстоящая от Большого взрыва примерно на 300 000 лет. В «эпоху рекомбинации» электроны соединились с ядрами, образовав атомы. До этого момента электромагнитное излучение металось от одной заряженной частицы к другой, как шарик при игре в пинбол. Однако стоило отрицательно заряженным электронам остепениться и осесть возле положительно заряженных ядер, «игровой автомат» словно выключили, и помехи на пути излучения исчезли. Освобожденные от оков, горячие фотоны помчались по всей Вселенной, неся в себе слабый отпечаток распределения то чуть более, то чуть менее плотных скоплений атомов в космосе. С течением времени излучение остыло, а в более плотные области начало притекать вещество. Когда в них набралось столько водорода, что его ядра начали сливаться и дали старт стационарным цепным реакциям, зажглись первые звезды, которые стали излучать ядерную энергию в форме света и тепла.

Как появлялись звезды, планеты, галактики… - эти события небесной драмы интересуют прежде всего астрофизиков и астрономов. Что касается физиков, занимающихся элементарными частицами, их излюбленный вопрос - что было до рекомбинации? - относится к совсем уж незапамятным временам. Знание того, как вели себя фотоны, электроны, протоны, нейтроны и другие частицы, когда атомов не было и в помине, то есть в первые моменты жизни Вселенной, позволяет делать выводы о свойствах фундаментальных взаимодействий. Другими словами, ранняя Вселенная, как и коллайдер, представляет собой лабораторию высоких энергий. Данные с одного из приборов можно потом проверить на втором.

В том же году, когда Алфер и Гамов опубликовали свою «алфавитную» статью, Джулиан Швингер и Ричард Фейнман из Соединенных Штатов и Синъитиро Томонага из Японии независимо друг от друга выпустили цикл статей, в которых была изложена квантовая теория электромагнитного поля. (Томонага пришел к своим идеям, когда шла Вторая мировая война, поэтому у него не было возможности оповестить о них научную общественность.) В работах принстонского ученого Фримана Дайсона новая теория, названная квантовой электродинамикой (КЭД), приобрела законченный вид. Она в итоге стала образцом того, как должно выглядеть описание природных сил.

Из всех работавших над КЭД именно Фейнману принадлежит самая наглядная интерпретация ее математических формул. Он придумал очень удобную систему графических обозначений, отражающих процесс взаимодействия частиц друг с другом: электроны и остальные заряженные частицы изображаются стрелками, а фотоны - волнистыми линиями. Например, обмен фотоном между двумя электронами будет выглядеть так: две стрелки с течением времени сходятся, между их концами пробегает волнистая линия, и затем они расходятся. Приписав каждой подобной картинке определенное значение и установив правила, по которым они складываются, Фейнман дал рецепт вычисления вероятности любого события с участием электромагнитного взаимодействия. Эта система обозначений, известная как диаграммы Фейнмана, получила широкое распространение.

Квантовая электродинамика излечила некоторые математические недуги, ставшие настоящей напастью для квантовых теорий электронов и других заряженных частиц. До этого теоретики, пытаясь применить квантовую концепцию к электронам, то и дело наталкивались в вычислениях на не имеющие смысла «бесконечности». Фейнман показал, что если применить особую процедуру (провести так называемую перенормировку), вклады от части диаграмм взаимно уничтожаются, и получается конечный ответ.

Вдохновленные успехом КЭД, в 50-х гг. многие теоретики решили применить аналогичные методы к слабому, сильному и гравитационному взаимодействиям. Но это теоретическое троеборье оказалось не таким легким, как виделось на первый взгляд. Каждый этап эстафеты таил в себе свои препятствия.

На тот момент в теорию бета-распада Ферми, которая в новой версии стала называться универсальным взаимодействием Ферми, были включены мюоны. Одно из главных предсказаний этой теории получило свое подтверждение в середине десятилетия. Фредерик Рейнс и Клайд Коуэн из Лос-Аламосской национальной лаборатории поместили возле атомного реактора огромный контейнер с жидкостью и впервые впрямую зарегистрировали нейтрино. Эксперимент был нацелен на то, чтобы поймать редкие случаи взаимодействия реакторных нейтрино с протонами жидкости. Последние при этом превращаются в нейтроны и позитроны (антиэлектроны) - происходит так называемый обратный бета-распад. Когда частица встречает свою античастицу, они аннигилируют (исчезают), излучая свою энергию в фотонах. К испусканию фотонов приводит и поглощение жидкостью нейтронов. Поэтому Рейнс и Коуэн догадались, что по паре одновременных вспышек (во второй, светочувствительной жидкости), вызываемых этими двумя потоками фотонов, можно судить о присутствии нейтрино. Как ни редки такие события, экспериментаторы их засекли. Последующие эксперименты с гораздо большими объемами жидкости, проведенные Рейнсом и Коуэном, а также другими группами, подтвердили этот революционный результат.

Когда последний ингредиент теории Ферми - предшественницы теории слабого взаимодействия - получил свое экспериментальное подтверждение, физики уже начали осознавать ее очевидную неполноту. Особенно явно она выступала при сравнении с потрясающими результатами КЭД. В КЭД в изобилии присутствуют всевозможные естественные симметрии. На диаграммах Фейнмана, где представлены электродинамические процессы, одна из них просто бросается в глаза. Поменяем направление временной оси, заставив течь время в противоположном направлении, - рисунок от этого не изменится. Следовательно, процессы, идущие вперед и назад по времени, не отличаются. Эта симметрия называется инвариантностью относительно обращения времени.

Вторая симметрия сравнивает между собой процесс и его зеркальное изображение. Если процесс в зеркале идет так же, как и без него (эта ситуация имеет место в КЭД), говорят о сохранении четности. Скажем, буква «Ш», совпадающая со своим зеркальным изображением, четность сохраняет, а вот букве «Щ» ее хвостик мешает это сделать.

В КЭД, кроме того, идеально сохраняется масса, давая повод ввести еще одну симметрию. Когда электроны (или другие заряженные частицы) перекидываются между собой фотонами, последним, что бы ни случилось, запрещается носить с собой массу. Электроны в электромагнитных процессах остаются электронами и никогда не меняют свой облик. Не надо быть гением, чтобы заметить разницу с бета-распадом, где электроны жертвуют своим зарядом и массой и примеряют на себя образ нейтрино.

Вопрос о симметриях слабого взаимодействия в 1956 г. выступил на передний план, когда американские физики китайского происхождения Цзун Дао Ли и Чэнь Нин (Фрэнк) Янг предложили изящное решение загадки с распадом мезона. Примечательно, что у положительных каонов есть два канала распада: они распадаются на два или три мезона. Причем четности конечных состояний не совпадают. Поэтому напрашивалось объяснение, что и рождающие их частицы относятся к разным классам. Но Ли и Янг показали: если допустить, что в слабых процессах четность не сохраняется, и те и другие продукты могут происходить от одной-единственной частицы. Так что иногда распады с участием слабых сил в зеркале меняют свою внешность. Нарушение четности на первый взгляд противоречит здравому смыслу, но оно, как оказалось, дает ключ к пониманию деталей слабого взаимодействия.

Ядерные силы не в пример бережнее относятся к сохранению четности. Благодаря Юкаве это мощное, но короткодействующее взаимодействие в 50-х гг. одним из первых могло похвастаться квантовой версией. Но поскольку тогда экспериментаторы еще не имели понятия о внутренней структуре самих нуклонов, теория Юкавы оставалась неполной.

Последним звеном в единой модели всех взаимодействий должна была стать квантовая теория гравитации. Беря пример с КЭД, физики пытались построить аналогичную теорию гравитации, но перед ними одна за другой вырастали каменные стены. А загвоздка вот в чем. Если КЭД описывает процессы, развертывающиеся во времени (например, рассеяние одного электрона на другом посредством обмена фотоном), то гравитация, как утверждает общая теория относительности, - это проявление кривизны четырехмерной геометрии, существующей вне времени. Проще говоря, гравитация подвижна не больше статуи. Никакие разговоры о квантовой гравитации были невозможны, пока в эту вневременную теорию не удалось чудесным образом включить эволюцию. Крупный успех последовал в 1957 г., когда Ричард Арновитт, Стэнли Дезер и Чарльз Мизнер придумали, как разрезать пространственно-временной пирог на трехмерные слои, насаженные на линию времени. Их метод, формализм АДМ, обеспечил теоретиков динамической теорией гравитацией, уже пригодной для квантования.

Второе серьезное препятствие, не дающее увязать тяготение с другими силами, возникает из-за гигантской разницы в интенсивности взаимодействий. Оно получило название проблемы иерархии. На субатомном уровне гравитация в 10⁴⁰ (единица с 40 нулями) раз хилее электромагнетизма, который, в свою очередь, значительно уступает ядерным силам. Собрать все это в рамках единой теории - сложная задача, удовлетворительное решение которой еще только предстоит найти.

Наконец, палкой в колесах торчит перенормировка гравитационных двойников КЭД. К величайшему разочарованию теоретиков, методы Швингера, Фейнмана и Томонаги не сработали: бесконечные слагаемые, выскакивающие при попытке проквантовать гравитацию, не почувствовали их действия. Гравитация оказалась капризнее, чем мы думали.

Одна из самых высоких целей человеческих изысканий - прийти к единству. Мы жаждем полноты, однако каждое открытие общих черт приносит с собой новые примеры различий. Электричество и магнетизм, как показал Максвелл, составили блестящую партию, но любая другая сила была в ней третьим лишним. В таблицу Менделеева прекрасно вписывались все элементы, пока экспериментаторы не наткнулись на изотопы. Едва Резерфорд, Бор, Гейзенберг и их сподвижники подобрали атому красивую упаковку, как на сцену вышли нейтрино, антивещество, мюоны и мезоны.

В период с середины 50-х до середины 90-х гг. XX в. мощные ускорители один за другим вгрызались в замысловатый мир элементарных частиц, гораздо более сложный, чем мы могли себе представить. Вокруг привычных протонов, нейтронов и электронов неожиданно выросли буйные джунгли частиц с причудливыми свойствами и самой разной продолжительностью жизни. Лишь малую их толику можно было встретить в атоме. Подавляющее же большинство не имело к нему никакого отношения, если не считать подверженность одним и тем же фундаментальным силам. Это как если бы мы вошли на скотный двор и рядом с равнодушными коровами и овцами увидели голосящую толпу из диких носорогов, гиен, утконосов, мамонтов и каких-то неизвестных инопланетных тварей. Усмотреть в этом до смешного пестром зверинце, любезно предоставленном нам природой, хотя бы малейший намек на единство можно было, только обладая богатой фантазией, уникальной способностью улавливать общие черты и тонким чувством юмора.