Удивительные числа Вселенной - Антонио Падилья

против нее. Он заявил: если вы войдете в зеркальный мир, физика изменится. Изменится не все: гравитация, электромагнетизм и сильное взаимодействие останутся прежними. Но слабое взаимодействие начнет вести себя иначе.

За это открытие Янг и Ли вскоре получили Нобелевскую премию, однако вклад Ву по необъяснимым причинам остался обойден вниманием. Оба теоретика осознавали нелепость такого решения и неоднократно номинировали ее на премию в дальнейшем, но безуспешно[122]. После новаторского эксперимента Ву левое и правое стали иметь значение, а это означало, что требовалось обратить внимание на теорию Ферми. Гарвардский физик Роберт Маршак и его индийский студент Джордж Сударшан придумали универсальный рецепт для слабого взаимодействия, известный под названием V-A теории[123]. По духу она была близка к идее Ферми, но показывала разницу относительно зеркального отражения. Теория одинаково хорошо работала как для распадов с участием электронов, так и для распадов с участием их более тяжелых собратьев — мюонов. Хотя нет сомнений в том, что первыми эту теорию создали Маршак и Сударшан, признание по большей части ушло к эксцентричной паре из Калифорнийского технологического института. Фейнман и Гелл-Манн разрабатывали схожие идеи примерно в то же время, а опубликовали их раньше. Они также были немного шумнее друзей из Гарварда. Это соперничество несколько ухудшило отношения между ними. После того как Фейнман сделал характерный для него стильный доклад о своей работе в Американском физическом обществе, Маршак схватил микрофон. «Я был первым! — кричал он. — Я был первым!» Фейнман невозмутимо ответил: «Я знаю только, что я был последним»[124].

Так же как в теории Ферми, в V-A теории силы действуют на бесконечно малых расстояниях, частицы соприкасаются в одной точке. Но мы знаем, что на самом деле взаимодействия работают не так: всегда есть какой-то переносчик. Почему же эксперимент подтвердил V-A теорию? Представьте голливудскую модницу, посылающую другу воздушный поцелуй; при этом губы не соприкасаются. Если эта модница предпочитает воздушные поцелуи на совсем близком расстоянии, издалека может показаться, что касание есть. Аналогичным образом возникает и V-A теория. Может показаться, что частицы соприкасаются, но лишь потому, что переносчик действует на очень малом расстоянии: он слишком тяжелый.

Так что же это за тяжеловес, переносящий взаимодействие? Оказывается, существуют три частицы, которые могут переносить слабое взаимодействие, все они имеют большую массу и единичный спин. Два из них — W-бозоны — еще до появления V-A теории идентифицировал американский физик Джулиан Швингер. Он принадлежал к тому же поколению, что и Фейнман, и этих гигантов теоретической физики часто сравнивали. Яркий Фейнман руководствовался интуицией, Швингер отличался осторожностью и изощренностью. В теории Ферми нейтрон превращается в протон, выбрасывая электрон и антинейтрино. Швингер хотел в этот процесс втиснуть свой новый бозон, как в игре «Третий лишний», чтобы остановить «поцелуй» четырех частиц. Иными словами, ему хотелось, чтобы нейтрон превращался в протон, испустив сначала отрицательно заряженный W-бозон, как показано на рисунке ниже. В других процессах участвовал положительно заряженный W-бозон, так что всего у физика имелось два W-бозона.

Изображение распада нейтрона. Слева вы видите схему Ферми, когда нейтрон одновременно распадается на три частицы. Справа — вариант Швингера, когда в середину процесса втиснут W-бозон

Казалось, что электромагнетизм и слабое взаимодействие танцуют в одном зале, хотя и совершают несколько разные шаги. В некотором смысле это танец электрического заряда. С одной стороны, у вас есть электромагнитная сила, перемещающая заряды в пространстве: электроны отталкивают электроны и притягивают протоны. С другой — у вас имеется слабое взаимодействие, способное изменять электрический заряд; оно может превращать электрически нейтральный нейтрон в положительно заряженный протон. Это также означает, что слабое взаимодействие переносится частицами, имеющими собственный электрический заряд и ощущающими электромагнитную силу! Может быть, электромагнетизм и слабое взаимодействие — разные стороны одной медали? Можно ли упаковать W-бозоны и фотон в один сверток, взяв две фундаментальные силы природы и объединив их?

Швингер считал именно так. Он попытался сшить две силы вместе. Это напоминало попытку художников создавать орнаменты на стенах Альгамбры, хотя, как мы видели в начале предыдущей главы, симметрии — дело хитрое. Чтобы получить узор, вы не можете соединять все что заблагорассудится. Вот почему на стенах и полах древних исламских дворцов появляется всего семнадцать орнаментов. И именно поэтому Швингер не смог сшить вместе фотон и пару W-бозонов. В конце концов, дисбаланс был слишком велик: электрически нейтральным оказался один бозон (фотон), а заряд несли два. Чтобы получился орнамент — и сохранялась симметрия, — требовался еще один нейтральный бозон. Эту частицу мы сейчас называем Z-бозоном. Нехватку этого компонента понял парень из Бронкса Шелдон Глэшоу. Он был аспирантом Швингера, хотя из комментариев к его статье видно, что Шелдона вдохновляли также беседы с Гелл-Манном.

Все сходилось — в буквальном смысле. Слабое взаимодействие и электромагнетизм сливались в единую сверхсилу, и это взаимодействие переносили четыре бозона: фотон, два W-бозона и Z-бозон. Фотон отвечал за электромагнетизм, а W- и Z-бозоны — за слабое взаимодействие. Как и в случае с сильным взаимодействием, базовая структура была примерно такой же, как та, которую Янг и Миллс предложили десятилетием ранее (и которая так сильно расстроила Паули на семинаре в Принстоне). Глэшоу открыл дверь к единой теории электромагнетизма и слабого взаимодействия. К концу десятилетия последние штрихи в электрослабую теорию внес друг Глэшоу Стивен Вайнберг (они подружились еще в школе в Бронксе). Сначала эти идеи проигнорировали, однако несколько лет спустя два голландских физика — Герард Хоофт и его научный руководитель Мартинус Вельтман — показали, что все это имеет четкий математический смысл, и с этого момента дело пошло на лад. Объединение электромагнетизма и слабого взаимодействия было физическим эквивалентом падения Берлинской стены. В этот момент две теории стали одной, объединившись в нечто более мощное и глубокое. Конечно, такое уже случалось в физике, — например, когда Максвелл соединил электричество и магнетизм или еще раньше, когда Ньютон связал перемещение планет с движением падающего яблока. Разработка электрослабой теории стоит рядом с историческими триумфами Максвелла и Ньютона. Это действительно было чертовски прекрасно.

Когда Вайнберг в 1973 году переехал из Массачусетского технологического института в Гарвард, он унаследовал офис Швингера. Швингер оставил там свои туфли, и Вайнберг воспринял это как вызов: можешь ли ты стать достойным преемником?[125] Я не сомневаюсь, что он смог. В том же году в ЦЕРН пузырьковая камера с чудесным названием «Гаргамелла»[126] предоставила доказательства того, что слабое взаимодействие переносится какой-то нейтральной частицей, — именно это предсказывала электрослабая теория Вайнберга, где фигурировал Z-бозон. Вайнберг и Глэшоу предсказуемо присоединились к Швингеру в пантеоне нобелевских лауреатов