Глава 13
Из бесконечного возникает красивейшее: симметрия наносит ответный удар
Вера же есть осуществление ожидаемого и уверенность в невидимом.
Евр. 11:1
Вслед за Паули мы можем сказать, что мать-природа – слабая левша. После осознания того шокирующего факта, что природа различает левое и правое, физика и сама повернула налево и двинулась по незнакомой дороге, лишенной привычных ориентиров. Чудесная упорядоченность периодической таблицы элементов, управляющей явлениями на атомных масштабах, уступила место загадке ядра и непостижимой природе сил, управляющих его поведением.
Миновали простые, как стало уже казаться, дни света, движения, электромагнетизма, тяготения и квантовой механики. Впечатляюще успешную теорию квантовой электродинамики, занимавшую до этого прочные позиции на переднем крае физики, сменил, казалось, беспорядочный мир экзотических явлений, связанных с новооткрытыми слабым и сильным ядерными взаимодействиями, которые правят самым сердцем материи. Их проявления и свойства нелегко было разделить, несмотря на то что одно из этих взаимодействий было в тысячи раз сильнее другого. Мир фундаментальных частиц все усложнялся, и ситуация с каждым годом становилась все запутаннее.
* * *
Если открытие нарушения четности спутало все карты, продемонстрировав, что у природы имеются совершенно неожиданные предпочтения, то первые лучи света на ситуацию пролило осознание того, что другие ядерные величины, на первый взгляд представлявшиеся совершенно различными, могут оказаться не такими уж разными, если рассматривать их в фундаментальной перспективе.
Быть может, важнейшим открытием в ядерной физике было то, что протоны и нейтроны способы превращаться друг в друга, как предположил Юкава много лет назад. На базе этого открытия и сформировалось постепенно понимание слабого взаимодействия. Однако большинство физиков чувствовало, что это открытие служит также ключом к пониманию сильного взаимодействия, скрепляющего, по-видимому, атомные ядра.
За два года до революционного совместного проекта с Ли, положившего конец священной лево-правой симметрии природы, Янг сосредоточил свои усилия на попытке разобраться в том, как другой тип симметрии, позаимствованный из квантовой электродинамики, может обнажить скрытую внутри ядра красоту. Возможно, как обнаружил Галилей в отношении основ движения, очевиднейшие вещи, наблюдаемые в природе, – это как раз те, которые наиболее эффективно маскируют ее фундаментальные свойства.
Постепенно – не только за счет прогресса в исследовании нейтронного распада и других слабых эффектов в атомных ядрах, но и из наблюдения сильных ядерных столкновений – становилось ясно: когда в дело вступает фундаментальная физика, определяющая ядерные явления, очевидное различие между протонами и нейтронами (протон заряжен, а нейтрон нейтрален) может оказаться несущественным. Как минимум в том же смысле, как несущественна очевидная разница между падающим пером и падающим камнем для нашего понимания физики тяготения и падающих объектов.
Во-первых, слабое взаимодействие умеет превращать протоны в нейтроны. Еще важнее, что если сравнить скорости других, более сильных ядерных реакций, в которых сталкиваются протоны или нейтроны, то замена протонов нейтронами и наоборот слабо влияет на результат.
В 1932 г., когда был открыт нейтрон, Гейзенберг высказал предположение о том, что протон и нейтрон могут оказаться всего лишь двумя состояниями одной и той же частицы, и придумал для их различения параметр, который назвал изотопическим спином. В конце концов, массы у них почти одинаковы, а в легких стабильных ядрах их содержится равное количество. Вслед за этим и после того, как известные физики-ядерщики Бенедикт Кассен, Эдвард Кондон, Грегори Брейт и Юджин Финберг признали, что ядерные реакции, по-видимому, практически не различают протоны и нейтроны, блестящий математический физик Юджин Вигнер предположил, что в ядерных реакциях «сохраняется» изотопический спин. Подразумевалось, что это фундаментальная симметрия, управляющая ядерными силами между протонами и нейтронами. (Ранее Вигнер разработал правила, демонстрирующие, как симметрии в атомных системах в конечном итоге допускают полную классификацию атомных состояний и переходов между ними, за что впоследствии был удостоен Нобелевской премии.)
Ранее, при обсуждении электромагнетизма, я отметил, что суммарный электрический заряд не меняется в ходе электромагнитного взаимодействия – то есть электрический заряд сохраняется – благодаря фундаментальной симметрии между положительным и отрицательным зарядами. Фундаментальная связь между законами сохранения и симметриями намного шире и глубже этого единственного примера. Глубокие и неожиданные отношения между законами сохранения и симметриями в природе стали важнейшим ведущим принципом физики XX века.
Несмотря на всю важность, точная математическая связь между законами сохранения и симметриями была выявлена только в 1915 г. замечательным немецким математиком Эмми Нётер. Как ни печально, хотя Нётер и была одним из наиболее значительных математиков начала XX века, бо́льшую часть своей жизни она трудилась без какой-либо официальной должности или оплаты.
Против Нётер работало два фактора. Во-первых, она была женщиной, что очень затрудняло как получение образования, так и поиск работы на раннем этапе ее деятельности. Во-вторых, она была еврейкой, что положило конец ее академической карьере в Германии и привело в конце концов к бегству в США незадолго до смерти. Она умудрилась попасть в Университет Эрлангена, оказавшись одной из двух девушек на 986 студентов, но даже здесь посещать учебные курсы ей позволялось только после получения особого разрешения от каждого профессора. Тем не менее она сдала выпускной экзамен и позже недолгое время училась в прославленном Гёттингенском университете, прежде чем вернулась в Эрланген работать над докторской диссертацией. Проработав в Эрлангене семь лет преподавателем без жалованья, в 1915 г. она получила приглашение вернуться в Гёттинген от знаменитого математика Давида Гильберта. Историки и философы на факультете, однако, не допустили ее назначения. Один из членов университета протестовал: «Что подумают наши солдаты, когда вернутся в университет и обнаружат, что им предлагается овладевать знаниями у ног женщины?» В ответе, который бесконечно усилил мое и без того огромное уважение к Гильберту за его замечательный математический талант, он сказал: «Не понимаю, почему пол кандидата служит доводом против ее избрания приват-доцентом. Ведь здесь университет, а не баня».
Однако Гильберт не сумел убедить коллег, и, хотя следующие семнадцать лет Нётер преподавала в Гёттингене, до 1923 г. она не получала жалованья. Несмотря на значительный вклад во многие области математики – ее достижения были настолько многочисленными и настолько глубокими, что Нётер часто причисляют к великим математикам XX столетия, – профессорской должности она так и не получила.
Тем не менее в 1915 г., вскоре после прибытия в Гёттинген, Эмми Нётер доказала теорему, которая сейчас носит ее имя и которую изучают все студенты-физики – или должны были бы изучать, если хотят называть себя физиками.
