Отношения между теоретическим озарением и экспериментальным открытием – один из интереснейших аспектов развития науки. В основе своей физика, как любая естественная наука, представляет собой эмпирическую дисциплину. Но бывают моменты, когда всё меняют короткие вспышки теоретических озарений. Безусловно, хорошим примером может служить проникновение Эйнштейна в природу пространства и времени в первые два десятилетия XX века. Другой пример – замечательный теоретический прогресс, связанный с разработкой квантовой механики Шрёдингером, Гейзенбергом, Паули, Дираком и другими в 1920-е гг.

Менее известен период с 1954 г. по 1974 г., который, хотя и не был настолько революционным, по прошествии некоторого времени будет рассматриваться как одна из наиболее плодотворных и продуктивных эпох в физике XX века. Эти два десятилетия перевели нас, не без сумятицы, от хаоса к порядку, от замешательства к уверенности, от уродства к красоте. Это была бешеная гонка с несколькими, казалось бы, беспричинными блужданиями по окольным путям, – но наберитесь терпения! Если путь покажется вам слегка неудобным, вспомните, что я говорил во «Введении» о науке и комфорте. Только поставив себя на место тех, кто участвовал в этом квесте, чье разочарование вылилось со временем в озарения, только проникнувшись образом их мыслей, можно по-настоящему оценить значение этих озарений.

Этот бурный период следовал за временем, когда экспериментальные сенсации порождали только всеобщее замешательство и делали природу «всё страньше и страньше», как мог бы сказать Льюис Кэрролл. Открытие позитрона и вскоре после него нейтрона были только началом. Распад нейтрона, ядерные реакции, мюоны, пионы и целая куча последовавших за ними других новых элементарных частиц создавали впечатление, что фундаментальная физика – это нечто безнадежно сложное. Простая картина Вселенной, в которой одни только электромагнетизм и гравитация управляют взаимодействиями вещества, состоящего из протонов и электронов, отправилась на свалку истории. Некоторые физики того времени, подобно некоторым политикам сегодняшнего дня, жаждали простоты старых добрых дней, которая зачастую существовала лишь в их воображении.

Под впечатлением этой новообнаруженной сложности к 1960-м гг. некоторые физики решили, что в природе нет вообще ничего фундаментального. В своем воображении они создали сюрреалистичную картину, в которой все элементарные частицы состоят из всех остальных элементарных частиц, а представление о фундаментальных взаимодействиях всего лишь иллюзия.

Тем не менее где-то в глубине зрели теоретические идеи, которым суждено было отдернуть завесу невежества и путаницы, открыв взгляду базовую структуру природы, столь же замечательную, сколь и странно простую, в которой свет вновь играет ключевую роль.

Началось все с двух теоретических достижений: одного глубокого, но не замеченного, а другого – относительно прямолинейного, но блестящего и немедленно получившего известность. Примечательно, что в обе эти работы был вовлечен один и тот же человек.

Ян Чжэньнин родился в 1922 г. в семье математика. Образование он получил в Китае, причем в 1938 г., спасаясь от японского нашествия, был вынужден перебраться из Пекина в Куньмин. Четыре года спустя он окончил курс Национального юго-западного объединенного университета и остался в нем еще на два года. Тогда же он встретился с другим студентом, Ли Цундао, тоже вынужденно перебравшимся в Куньмин. Имея лишь смутное представление о Соединенных Штатах, оба они тем не менее в 1946 г. получили стипендии, учрежденные американским правительством на деньги Китая; эти деньги должны были дать талантливым китайским студентам возможность учиться в Америке. Ян уже имел диплом магистра, а потому пользовался большей свободой и мог выбирать, где защищать степень доктора философии; вместе с Ферми он перебрался из Колумбийского университета в Чикагский и приобрел американскую транскрипцию фамилии – Янг. У Ли особого выбора не было, поскольку степени магистра он не имел, но единственным университетом в США, где он мог готовить диссертацию сразу на докторскую степень, тоже оказался Чикагский университет. Янг готовил диссертацию под руководством Эдварда Теллера и уже через год после выпуска работал непосредственно с Ферми в качестве помощника, а Ли готовил диссертацию под руководством Ферми.

В 1940-е гг. Чикагский университет был одним из ведущих центров теоретической и экспериментальной физики США, и его выпускники получали бесценный опыт общения с замечательными учеными – это были не только Ферми и Теллер, но и другие ученые, включая блестящего, но при этом очень скромного астрофизика Субраманьяна Чандрасекара. В девятнадцать лет Чандра, как часто называли его коллеги, доказал, что звезды с массой, более чем в 1,4 раза превышающей массу Солнца, в конце цикла ядерного горения должны катастрофически схлопываться либо через процесс, известный сегодня как взрыв сверхновой, либо непосредственно в то, что мы сегодня называем черной дырой. Хотя в то время теория молодого астрофизика была встречена насмешками, пятьдесят три года спустя он получил за нее Нобелевскую премию.

Чандра был не только блестящим ученым, но и, подобно Ферми, прирожденным педагогом. Занимаясь исследованиями в Йеркской обсерватории (штат Висконсин), он не ленился каждую неделю проезжать сто миль туда и обратно, чтобы вести занятия у двух студентов, записавшихся на его семинары, – Ли и Янга. В конечном итоге все члены группы, включая и профессора, стали нобелевскими лауреатами (вероятно, это уникальный случай в истории науки).

В 1949 г. Янг перебрался в престижный Институт перспективных исследований в Принстоне, где продолжал плодотворно сотрудничать с Ли по разнообразным темам. В 1952 г. Янг получил в этом институте пожизненную должность, тогда как Ли в 1953 г. перебрался в расположенный неподалеку, в Нью-Йорке, Колумбийский университет, где и работал до выхода в отставку.

Каждый из этих людей внес в физику значительный вклад в различных областях, но прославившее их сотрудничество началось со странного экспериментального результата, опять же связанного с наблюдением космических лучей.

В том же году, когда Янг покинул Чикагский университет и начал работать в Институте перспективных исследований, первооткрыватель пиона Сесил Пауэлл обнаружил в космических лучах еще одну новую частицу, которую назвал тау-мезоном. Эта частица, согласно наблюдениям, распадалась на три пиона. Вскоре после этого была обнаружена еще одна частица, получившая название тета-мезона; она распадалась на два пиона. Как ни удивительно, выяснилось, что эта частица имеет в точности такую же массу и точно такое же время жизни, что и тау-мезон.

Возможно, это не покажется вам таким уж странным. Может быть, это одна и та же частица, просто ученые наблюдали два разных варианта ее распада? Не забывайте, что в квантовой механике все, что не запрещено, может произойти, и поскольку новая частица достаточно массивна, чтобы распадаться хоть на два, хоть на три пиона, – а слабое взаимодействие допускает оба варианта, – то и другое должно время от времени происходить.

Но, по здравому смыслу, слабое взаимодействие не должно было бы разрешать оба варианта распада.

Подумайте, к примеру, на мгновение о своих руках. Ваша левая рука отличается от правой. Никакой простой физический процесс, за исключением прохода сквозь зеркало и попадания в зазеркалье, не способен превратить левую руку в правую и наоборот. Никакая последовательность движений – подъем или опускание рук, поворот вокруг оси или подпрыгивание на месте – не сможет превратить одно в другое.

Силы, определяющие наш опыт, – электромагнетизм и гравитация – не различают право и лево. Никакой процесс, управляемый одним из этих двух типов взаимодействия, не может превратить нечто в его же зеркальное отражение. Так, невозможно превратить вашу правую руку в левую, просто направляя на нее свет.

Иными словами, если я направлю луч света на вашу правую руку и взгляну на нее издалека, интенсивность отраженного света будет точно такой же, какой была бы, если бы я проделал то же самое с вашей левой рукой. Свету, когда он отражается от объекта, нет дела до левого и правого.

Вообще, определение левого и правого введено нами по соглашению. Завтра мы можем решить, что левое – это правое и наоборот, и ничего не изменится, кроме наших ярлычков. Я пишу этот текст в самолете, в салоне эконом-класса, и человек в кресле справа от меня, вполне возможно, сильно отличается от человека слева, но опять же это всего лишь стечение случайных обстоятельств. Не думаю, что законы природы, которым подчиняется полет этого самолета, по-разному действуют на правое его крыло и на левое.

А теперь задумаемся, как все это выглядит в субатомном мире. Энрико Ферми, как мы помним, выяснил, что по правилам квантовой механики математическое поведение групп или пар элементарных частиц зависит от того, обладают ли они полуцелым спином, то есть являются ли фермионами. Поведение групп фермионов резко отличается от поведения таких частиц, как фотоны, у которых спин имеет значение 1 (или любое другое целое значение, к примеру 0, 1, 2, 3 и т. д.). Математическая «волновая функция», описывающая пару фермионов к примеру, антисимметрична, тогда как аналогичная функция, описывающая пару фотонов, симметрична. Это означает, что, если поменять частицы местами, волновая функция, описывающая фермионы, поменяет знак. Но для таких частиц, как фотоны, волновая функция при такой замене останется прежней.

Поменять две частицы местами – то же самое, что отразить их в зеркале. Та, что была слева, теперь будет находиться справа, и наоборот. Таким образом, существует тесная связь между такой заменой и тем, что физики называют четностью и что является совокупной характеристикой подвергаемой отражению системы (то есть системы, в которой право и лево меняются местами).

Если некая элементарная частица распадается на две другие частицы, то волновая функция, описывающая «четность» конечного состояния (то есть сообщающая, поменяет ли волновая функция знак при замене правых частиц на левые и наоборот), позволяет нам присвоить исходной частице некую величину, которую мы тоже назовем четностью. И если сила в квантовой механике, управляющая распадом, игнорирует различие между правым и левым, то и сам распад не изменит четности квантового состояния системы.

Если же волновая функция системы антисимметрична в отношении обмена частиц после распада, то система имеет «отрицательную» четность. В этом случае волновая функция, описывающая начальное квантовое состояние распадающейся частицы, тоже должна обладать отрицательной четностью (то есть менять знак при обмене правого и левого).

Так вот, пионы – частицы, существование которых предположил Юкава, а открыл Пауэлл, – имеют отрицательную четность, так что волновая функция, описывающая квантовое состояние их зеркального отражения, должна иметь другой знак по сравнению с первоначальной волновой функцией. Различие между положительной и отрицательной четностью – это как различие между чудесным круглым мячом, который в зеркале выглядит точно так же, как без него, и потому характеризуется положительной четностью, и, скажем, вашей рукой, которая при отражении в зеркале меняет вид, превращаясь из правой в левую, и потому, можно сказать, характеризуется отрицательной четностью.

Из-за этих несколько абстрактных соображений наблюдаемые данные, связанные с распадом новых, открытых Пауэллом частиц, поставили физиков в тупик. Поскольку четность пиона отрицательна, четность пары пионов должна быть положительной, поскольку (–1)² = 1. Однако система из трех пионов, по тем же соображениям, будет иметь отрицательную четность, так как (–1)³ = –1. Таким образом, если при распаде частицы четность не меняется, одна и та же частица не может распадаться до двух разных конечных состояний с разной четностью.

Если бы сила, ответственная за распад, вела себя так же, как вели себя в те времена все остальные известные силы, такие как электромагнетизм или гравитация, то она игнорировала бы четность (не различала бы правое и левое) и потому не меняла бы в процессе распада первоначальную четность системы – точно так же, как свет, направленный на вашу правую руку, не сделает ее похожей на левую.

Поскольку представлялось невозможным, чтобы некий тип частиц распадался иногда на два, а иногда на три пиона, решение казалось простым. Требуется не одна, а две новые элементарные частицы с противоположными характеристиками четности. Пауэлл окрестил их тау-частицей и тета-частицей; одна из них распадалась на два пиона, другая – на три.

Наблюдения говорили о том, что эти две частицы обладают в точности одинаковой массой и временем жизни, что казалось немного странным, но Ли и Янг предположили, что это может быть общим свойством различных элементарных частиц; согласно их гипотезе, частицы существуют парами с противоположными значениями четности. Они назвали эту идею «удвоением четности».

Так выглядела ситуация весной 1956 г., когда началась Международная конференция по физике высоких энергий, проходившая каждый год в Университете Рочестера. В 1956 г. все сообщество ученых, интересующихся физикой элементарных частиц и ядерной физикой, легко вмещалось в одну университетскую лекционную аудиторию, и все эти ученые, включая и сильнейших игроков, старались приехать на эту ежегодную встречу. На той конференции Ричард Фейнман жил в одной комнате с Марти Блоком. Будучи экспериментатором, Блок не так остро реагировал на еретическое в то время предположение о том, что какая-то сила в природе может не быть слепа по отношению к правому и левому, и потому он спросил Фейнмана, не может ли оказаться так, что слабое взаимодействие, управляющее распадами, которые наблюдал Пауэлл, различает правое и левое. Это позволило бы одной и той же частице распадаться до состояний разной четности – имелось в виду, что тау- и тета-частицы оказались бы на поверку одной и той же частицей.

Блоку не хватило дерзости поднять этот вопрос на общем заседании, но Фейнману хватило, хотя сам он считал этот вариант чрезвычайно маловероятным. Янг ответил, что он и Ли думали об этом, но пока из этой идеи ничего не вышло. На заседании присутствовал и Юджин Вигнер, который позже получил Нобелевскую премию за разъяснение важности таких вещей, как четность, в атомной и ядерной физике; он тоже поднял вопрос о том, не может ли слабое взаимодействие различать правое и левое.

Однако всё достается победителю, а от простых рассуждений о возможном нарушении четности новым типом фундаментального взаимодействия, способным, может быть, различать левое и правое, было далеко до того, чтобы это продемонстрировать. Месяцем позже Ли и Янг, обедая в нью-йоркском кафе, решили еще раз проанализировать все известные эксперименты, имевшие дело со слабым взаимодействием, чтобы понять, можно ли по данным какого-нибудь из них отвергнуть всякую возможность нарушения четности. Проделав это, они, к собственному огромному удивлению, поняли, что ни один эксперимент наверняка это не устанавливает. Янг позднее вспоминал: «Тот факт, что сохранение четности при слабом взаимодействии так долго не подвергалось сомнению без всяких экспериментальных доказательств, поражал воображение. Но еще поразительнее была перспектива того, что закон симметрии пространства – времени, который физики так хорошо изучили, может нарушаться. Эта перспектива нам не нравилась».

К чести Ли и Янга следует отметить, что молодые ученые предложили несколько экспериментов, при помощи которых можно было проверить возможность того, что слабое взаимодействии различает правое и левое. Они предложили рассматривать бета-распад нейтрона в ядре кобальта-60. Поскольку это радиоактивное ядро обладает ненулевым спином (моментом импульса), то есть ведет себя так, будто вращается вокруг своей оси, оно также работает как крохотный магнит. Во внешнем магнитном поле такие ядра выстраиваются в направлении поля. Если электроны, испущенные при распаде нейтрона в ядре, в конечном итоге оказываются преимущественно в одном полушарии, а не в другом, то это признак нарушения четности, поскольку в зеркале те же электроны оказались бы в противоположном полушарии.

Если бы это оказалось правдой, то означало бы, что на фундаментальном уровне природа различает правое и левое. Тогда и созданные человеком различия между ними (не зря же «правый» означает не только сторону, но и правоту) оказались бы не совершенно искусственными. Таким образом, мир в зеркале можно было бы отличить от реального мира, или, как позже образно сформулировал Ричард Фейнман, мы могли бы использовать этот эксперимент, чтобы отправить послание марсианам, информирующее их, какое направление является «левым», – скажем, то полушарие, где наблюдается появление большего числа электронов, – и для этого не нужно будет рисовать картинку.

Тогда такая возможность казалась настолько маловероятной, что многих в физическом сообществе эта инициатива позабавила, но никто не спешил поставить предложенный эксперимент. То есть никто, кроме коллеги Ли по Колумбийскому университету – физика-экспериментатора У Цзяньсюн, известной также как мадам Ву.

Даже сегодня мы нередко сетуем на малое число женщин среди физиков, обучающихся в американских университетах, но в 1956 г. ситуация была много хуже. О чем говорить, если до конца 1960-х гг. женщин даже не принимали в большинство университетов Лиги плюща. Почти через тридцать лет после того как У (Ву) прибыла из Китая в 1936 г. на учебу в Беркли, журнал Newsweek в посвященной ей статье привел такое ее высказывание: «Безобразие, что в науке так мало женщин… В Китае множество женщин занимается физикой. В Америке бытует ложное представление, что все женщины-ученые – неряшливые старые девы. Виноваты в этом мужчины. В китайском обществе женщина ценится за то, что она собой представляет, и мужчины поощряют ее достижения – но при этом она остается бесконечно женственной».

Как бы то ни было, Ву была специалистом по распаду нейтрона, и заманчивая возможность поискать нарушения четности в слабом взаимодействии, о которой она узнала от своих друзей Ли и Янга, ее заинтриговала. Она отменила поездку с мужем в Европу и занялась этим экспериментом в июне – всего через месяц после того, как Ли и Янг впервые задумались об этой проблеме; к октябрю того же года, когда статья Ли и Янга вышла из печати, она с несколькими коллегами собрала необходимую для эксперимента установку. Через два дня после Рождества того же года они получили результат.

Сегодня эксперименты в области физики элементарных частиц могут занимать десятилетия от задумки до завершения, но в 1950-е гг. все обстояло не так. Кроме того, это было время, когда физики, судя по всему, не думали о таких вещах, как отпуск и выходные. Несмотря на рождественские праздники, организованные Ли пятничные «китайские завтраки» продолжались, и в первую пятницу после Нового года Ли объявил, что группа Ву обнаружила не просто нарушение четности, но нарушение, максимально возможное в данном эксперименте. Результат настолько всех удивил, что группа Ву продолжила работу в том же направлении, чтобы убедиться, что результат не объясняется каким-то недоразумением или ошибкой эксперимента.

Тем временем Леон Ледерман и его коллеги Дик Гарвин и Марсель Вайнрич, тоже из Колумбийского университета, поняли, что могут проверить эти результаты в своих экспериментах по распаду пионов и мюонов на университетском циклотроне. Не прошло и недели, как обе группы – а еще Джерри Фридман и Вал Телегди в Чикаго – независимо подтвердили результат с высокой достоверностью и к середине января 1957 г. представили свои статьи в Physical Review. Они навсегда изменили нашу картину мира.

Колумбийский университет созвал, вероятно, первую в истории пресс-конференцию для объявления научного результата. Фейнман проиграл пари на 50 долларов, а вот Вольфгангу Паули повезло больше. Он 15 января написал из Цюриха письмо Виктору Вайсскопфу в Массачусетский технологический институт, в котором предложил пари на то, то эксперимент Ву не покажет нарушения четности, не зная, что эксперимент ее уже показал. В письме Паули эмоционально восклицал: «Я отказываюсь верить, что Бог – слабосильный левша», продемонстрировав к тому же интересное мнение о бейсболе. Вайсскопф, который к тому моменту уже знал о полученных результатах, оказался слишком честен, чтобы принять предложенное пари.

Узнав новости, Паули некоторое время спустя написал: «Теперь, когда первый шок миновал, я начинаю приходить в себя». Это был настоящий шок. Идея о том, что одна из фундаментальных сил в природе различает правое и левое, всей силой обрушилась и на здравый смысл, и на основания современной физики в том виде, как ее тогда понимали.

Шок был настолько силен, что, чуть ли не впервые в истории Нобелевской премии, воля Нобеля была выполнена надлежащим образом. В его завещании говорится, что премия должна выдаваться ученому или ученым в каждой научной области, чья работа в том году принесла наиболее важные результаты. В октябре 1957 г., почти точно через год после публикации статьи Ли и Янга и всего через десять месяцев после подтверждения, полученного Ву и Ледерманом, тридцатиоднолетний Ли и тридцатичетырехлетний Янг разделили между собой Нобелевскую премию, которая была присуждена им за выдвинутую гипотезу. А вот мадам Ву, которую называли китайской мадам Кюри, пришлось, как ни обидно, довольствоваться честью стать первым лауреатом учрежденной двадцать лет спустя премии Вольфа по физике.

Внезапно слабое взаимодействие стало куда более интересным, но и куда менее понятным. Теория Ферми, которой физики обходились до того момента, строилась примерно по модели теории электромагнетизма. Об электромагнитном взаимодействии можно думать как о силе, возникающей между двумя электрическими токами, соответствующими двум движущимся электронам, между которыми и происходит взаимодействие. Слабое взаимодействие тоже можно представить аналогичным образом, если считать, что в одном из токов нейтрон в процессе взаимодействия превращается в протон, а другой ток образуют вылетающие электрон и нейтрино.

Однако между этими ситуациями есть два принципиальных различия. В слабом взаимодействии по Ферми два тока взаимодействуют в одной точке, а не на расстоянии, и токи в слабом взаимодействии позволяют частицам превращаться из одного типа в другой в процессе движения сквозь пространство.

Если электромагнитные взаимодействия в зеркале выглядят точно так же, как в реальном мире, то в слабом взаимодействии четность нарушается, задействованные в нем «токи» должны будут, как отмечал Паули, иметь «хиральность», то есть направленность, позволяющую различать в них правое и левое, как, к примеру, имеют хиральность штопор и ножницы, отражение которых в зеркале отличается от оригинального предмета.

Нарушение четности при слабом взаимодействии можно уподобить принятому в обществе правилу, согласно которому мы пожимаем друг другу правую руку. У людей зазеркального мира рукопожатие выполняется левыми руками. Таким образом, реальный мир заметно отличается от своего зеркального отражения. Если бы токи в слабом взаимодействии обладали хиральностью, то само слабое взаимодействие могло бы различать правое и левое, и тогда в зазеркальном мире оно выглядело бы не так, как в нашем реальном мире.

Было проделано много работы – и возникло много путаницы, когда физики попытались в деталях разобраться, какие типы новых возможных взаимодействий могли бы заменить простое взаимодействие токов по Ферми, при котором задействованным частицам невозможно было приписать какую бы то ни было хиральность. Теория относительности допускает ряд возможных обобщений взаимодействия Ферми, но результаты различных экспериментов приводили к разным, взаимоисключающим математическим формам для искомого взаимодействия, так что казалось невозможным объяснить все эти результаты одним универсальным слабым взаимодействием.

Примерно в то же время, когда появились первые экспериментальные результаты по распаду нейтрона и мюона, позволяющие предположить, что четность при слабом взаимодействии нарушается в максимально возможной степени, в этой запутанной ситуации начал разбираться студент-выпускник Рочестерского университета Джордж Сударшан. Он предложил свою теорию универсального взаимодействия, которая могла бы заменить вариант Ферми, – и со временем выяснилось, что его теория верна, – однако из нее также вытекало, что по крайней мере некоторые экспериментальные результаты того времени ошибочны.

История эта завершилась в какой-то мере трагично. На конференции в Рочестере, через три месяца после того, как было открыто нарушение четности, и через год после того, как Ли и Янг представили свои первые мысли об удвоении четности, Сударшан подал заявку на выступление, чтобы представить свои результаты. Однако, поскольку он был всего лишь студентом, его заявка была отклонена. Его научный руководитель Роберт Маршак, в свое время предложивший Сударшану эту исследовательскую задачу, к тому моменту был поглощен уже другой задачей из области ядерной физики и предпочел провести вместо этого семинар по своей теме. Еще один сотрудник, которого попросили упомянуть в своем выступлении работу Сударшана, также забыл это сделать. Так что дискуссия о возможной форме слабого взаимодействия, проходившая на конференции, в конечном итоге ни к чему не привела.

Ранее, в 1947 г., Маршак первым предположил, что в экспериментах Сесила Пауэлла были открыты два разных мезона, один из которых представляет собой частицу, о существовании которой говорил Юкава, а второй – частицу, которая в настоящее время называется мюоном. Кроме того, Маршак был инициатором Рочестерских конференций и, вероятно, считал, что выпустить на ней с выступлением своего студента было бы фаворитизмом. К тому же, чтобы идея Сударшана работала, по крайней мере некоторые экспериментальные данные должны были оказаться ошибочными, поэтому, вполне возможно, Маршак решил, что представлять эту идею на конференции преждевременно.

Тем летом Маршак работал на корпорацию RAND в Лос-Анджелесе и позвал с собой Сударшана и еще одного студента. Два самых известных в то время в мире теоретика в области физики элементарных частиц – Фейнман и Гелл-Манн – работали в Калифорнийском технологическом, и оба они были одержимы разгадкой формы слабого взаимодействия.

Фейнман в свое время не открыл нарушения четности, потому что не стал упорствовать в поиске ответов на вопросы, которые сам же и задал, но с тех пор он успел понять, что его работа по квантовой электродинамике могла бы пролить свет на слабое взаимодействие. Он отчаянно стремился к этому, поскольку чувствовал, что его работа в области КЭД – это всего лишь хитроумное математическое упражнение, куда менее благородное, чем установление формы закона, управляющего одним из фундаментальных взаимодействий в природе. Однако гипотеза Фейнмана относительно формы слабого взаимодействия также, судя по всему, расходилась с экспериментальными данными того времени.

В 1950-е гг. именно Гелл-Манну суждено было предложить многие из важнейших в то время и надолго сохранивших свое значение идей в физике элементарных частиц. Он был одним из двух физиков, которые предположили, что протоны и нейтроны состоят из более фундаментальных частиц, которые Гелл-Манн назвал кварками. У него были собственные причины размышлять о четности и слабом взаимодействии. Основой его успеха в значительной части была сосредоточенность на новых математических симметриях в природе, и он, помимо прочего, использовал эти идеи, чтобы предложить новую возможную форму для слабого взаимодействия, но опять же его идея противоречила экспериментальным данным.

Во время пребывания в Лос-Анджелесе Маршак организовал для Сударшана завтрак с Гелл-Манном, на котором они могли бы поговорить о своих идеях. Кроме того, они встретились с выдающимся экспериментатором Феликсом Бёмом, по словам которого, его эксперименты теперь соответствовали их идеям. Сударшан и Маршак узнали от Гелл-Манна, что его идеи созвучны с гипотезой Сударшана, но что сам Гелл-Манн планирует, быть может, включить этот момент одним параграфом в длинную статью по общим вопросам слабого взаимодействия.

Тем временем Сударшан и Маршак подготовили статью по своей идее, и Маршак решил приберечь ее и представить осенью на международной конференции в Италии. Однако Фейнман, узнав от Бёма о новых экспериментальных данных, решил – с немалым энтузиазмом, – что его идеи верны, и начал писать статью на эту тему. Гелл-Манн, будучи очень амбициозным по характеру, решил, что, раз Фейнман пишет статью по этому вопросу, ему тоже стоит написать статью. В итоге руководитель факультета убедил Фейнмана и Гелл-Манна написать совместную статью, что они и сделали. Статья привлекла огромное внимание и стала знаменитой. Хотя в текст и были включены благодарности за плодотворные дискуссии Сударшану и Маршаку, их собственная статья появилась позже в трудах конференции и не могла соперничать со статьей Фейнмана и Гелл-Манна в борьбе за внимание физического сообщества.

Позже, в 1963 г., Фейнман, всегда старавшийся проявлять великодушие в отношении идей, публично заявил: «Эту теорию открыли Сударшан и Маршак, но сделали популярной Фейнман и Гелл-Манн». Но это заявление прозвучало слишком поздно, да и было его явно недостаточно. Даже в лучшие времена трудно было бы конкурировать в вопросах славы с Фейнманом и Гелл-Манном, и Сударшану пришлось прожить много лет с сознанием того, что универсальную форму слабого взаимодействия, открытую двумя героями мировой физики, первым предложил именно он, причем с большей уверенностью, чем остальные.

Теория Сударшана, красиво изложенная в статье Фейнмана и Гелл-Манна, получила известность как V-A-теория слабого взаимодействия. Название ее имеет сугубо техническое происхождение и станет понятнее в последующих главах, однако фундаментальная идея этой теории проста, хотя и покажется неспециалисту одновременно нелепой и бессмысленной: токи, фигурирующие в теории Ферми, должны быть «левыми».

Чтобы разобраться в этой терминологии, вспомним, что в квантовой механике элементарные частицы, такие как электроны, протоны и нейтрино, обладают вращательным моментом импульса, то есть ведут себя так, как если бы вращались вокруг своей оси, хотя с классической точки зрения точечная частица не может считаться вращающийся. Теперь рассмотрим направление их движения и предположим на мгновение, что частица подобна волчку, вращающемуся вокруг своей оси. Протяните правую руку и расположите ее так, чтобы отставленный большой палец указывал в направлении движения частицы. Теперь согните остальные пальцы. Если они сгибаются в том же направлении (против часовой стрелки), в каком вращается частица/волчок относительно направления движения, то частицу называют правой. Если вытянуть левую руку и проделать ту же операцию, то левая частица будет вращаться по часовой стрелке, соответствуя движению согнутых пальцев вашей руки.

Если посмотреть на левую руку в зеркало, она будет выглядеть как правая рука; точно так же, если смотреть в зеркало на вращающуюся в полете стрелу, направление ее движения поменяется, так что если в реальном мире стрела летит прочь от вас, то в зеркале она будет лететь к вам, но направление ее вращения не поменяется. Таким образом, в зеркале левая частица превратится в правую. (Так что, если бы у бедняг в Платоновой пещере было зеркало, они, возможно, не удивлялись бы так сильно тому, что тени стрел меняют направление движения.)

Эта рабочая картинка левой частицы неточна, поскольку, если подумать, то левую частицу можно превратить в правую, просто двигаясь быстрее этой частицы. В системе отсчета, в которой человек покоится и видит, как мимо пролетает частица, она, возможно, будет двигаться влево. Но если вы сядете в ракету, направите ее влево и обгоните частицу, то относительно вас она будет двигаться вправо. В результате получается, что представленное выше описание является точным только для частиц, которые не имеют массы и потому движутся со скоростью света. Ведь если частица движется со скоростью света, ничто не может двигаться так быстро, чтобы ее обогнать. Математически точное определение левости частицы должно принимать во внимание данный эффект, но здесь мы к этому больше обращаться не будем.

Электроны могут вращаться в любом направлении, однако V-A-теория в математической форме утверждает, что лишь движущиеся электроны с левыми токами способны «чувствовать» слабое взаимодействие и участвовать в распаде нейтрона. Правые токи этого взаимодействия не чувствуют.

И что еще поразительнее, нейтрино чувствуют только слабое взаимодействие, и никакого другого. Насколько мы можем судить, нейтрино бывают только левыми. Дело не только в том, что лишь один сорт нейтринного тока может быть задействован в слабом взаимодействии. Во всех без исключения экспериментальных наблюдениях по сей день не встречалось правых нейтрино, – возможно, это самая наглядная демонстрация нарушения четности в природе.

Кажущаяся глупость такой организации предстала передо мной особенно выпукло несколько лет назад, когда в одном из эпизодов сериала «Звездный путь: Далекий космос 9» офицер по науке на космической станции обнаружила, что в казино, где сосредоточены азартные игры, что-то не так с законами вероятности. Она пропустила через подозрительное заведение нейтринный луч и обнаружила, что на выходе наблюдаются только левые нейтрино. Ясно, что здесь какой-то непорядок.

За исключением того, что именно так все и обстоит на самом деле.

Что не так с природой? Как так получается, что по крайней мере для одного из фундаментальных взаимодействий левое и правое не равнозначны? И почему нейтрино так отличаются от всех прочих частиц? Простой ответ на эти вопросы состоит в том, что мы пока этого не знаем, хотя само наше существование, которое является производным от природы известных взаимодействий, напрямую от этого зависит. Это одна из причин, почему мы стараемся это выяснить. Объяснение нового взаимодействия привело к новым загадкам и, подобно большинству загадок в природе, в конечном итоге дало нам ключ, который должен был повести физиков по новому пути открытий. Осознание того, что в природе нет симметрии левого и правого, которую прежде все считали фундаментальной, заставило физиков заново исследовать, как проявляются в нашем мире симметрии и, что еще важнее, как они не проявляются.