Когда физики в 1950-е гг. впервые сумели столкнуть протоны в ускорителе, они, к собственному удивлению, обнаружили целый зоопарк неожиданных частиц.
У них буквально разбежались глаза. Считалось, что чем глубже вы проникаете в ядро, тем проще – а не сложнее – становится природа. При виде такого богатства частиц квантовый физик мог подумать, что природа и правда злонамеренна.
Обескураженный бесконечным потоком новых частиц, Роберт Оппенгеймер заявил, что Нобелевскую премию по физике следует присудить тому физику, который за год не откроет ни одной новой частицы. Энрико Ферми объявил, что если бы знал, «что будет так много частиц с греческими названиями, то стал бы ботаником, а не физиком»
[36].
Исследователи буквально тонули в элементарных частицах. Из-за возникшей путаницы некоторые физики заявляли, что человеческий разум, возможно, недостаточно проницателен, чтобы разобраться в субатомном царстве. В конце концов, говорили они, невозможно научить собаку дифференциальному исчислению, не исключено, что возможностей человеческого разума просто не хватит для понимания происходящего в ядре атома.
Однако путаница начала немного проясняться с появлением работ Марри Гелл-Манна и его коллег по Калифорнийскому технологическому институту (Калтеху), которые заявили, что протон и нейтрон состоят из трех еще более мелких частиц, называемых кварками.
Эта простая модель прекрасно справилась с задачей классификации частиц по группам. Как до него Менделеев, Гелл-Манн, глядя на пробелы в своей теории, смог предсказать свойства новых сильно взаимодействующих частиц. В 1964 г. еще одна частица, предсказанная кварковой моделью и получившая название «омега-минус», была обнаружена в реальности, что подтвердило общую верность этой теории, за которую Гелл-Манн получил Нобелевскую премию.
Кварковая модель смогла объединить так много частиц, потому что была основана на симметрии. Эйнштейн, как мы помним, ввел четырехмерную симметрию, превращающую пространство во время и наоборот. Гелл-Манн ввел уравнения, содержащие три кварка; если поменять их местами внутри уравнения, само уравнение не изменится. Эта новая симметрия описывала перестановку трех кварков.
Полные противоположности II
Ричард Фейнман – еще один великий физик из Калтеха, предложивший перенормировку КЭД, – и Марри Гелл-Манн, предложивший идею кварка, были полными противоположностями по темпераменту и характеру.
В популярных средствах массовой информации физики неизменно изображаются либо как безумные ученые (вроде Дока Брауна в фильме «Назад в будущее»), либо как безнадежно неадекватные «ботаники» (как в сериале «Теория Большого взрыва»). Однако в реальности среди физиков встречаются представители всех психотипов.
Фейнман был колоритным возмутителем спокойствия, вечным шутом и клоуном, он был полон забавных историй о своих эксцентричных выходках и рассказывал их с грубоватым простонародным выговором. (Во время Второй мировой войны он однажды вскрыл сейф с секретами атомной бомбы в Лос-Аламосской национальной лаборатории и оставил там шифрованную записку. Когда на следующий день записка была обнаружена, тревога и паника в суперсекретной лаборатории поднялась нешуточная.) Для Фейнмана не было ничего слишком нетрадиционного или неприличного – однажды он из любопытства даже заперся в гипербарической камере, чтобы проверить, можно ли там получить внетелесные переживания.
Гелл-Манн, напротив, всегда был джентльменом с безупречной речью и прекрасными манерами. Он увлекался наблюдением за птицами, коллекционированием древностей, лингвистикой и археологией, забавные истории были не его стихией. Но, несмотря на различия в характерах, Фейнман и Гелл-Манн в равной мере обладали энергией и упорством, которые помогали им проникать в тайны квантовой теории.
Слабое взаимодействие и призрачные частицы
Тем временем исследования слабого ядерного взаимодействия, которое примерно в миллион раз слабее сильного взаимодействия, тоже заметно продвигались вперед.
Слабого ядерного взаимодействия, например, недостаточно, чтобы удерживать в связанном состоянии компоненты атомных ядер многих типов, поэтому они распадаются на более мелкие фрагменты и элементарные частицы. Радиоактивный распад, как мы уже видели, – причина того, что внутри Земля такая горячая. Именно в слабом ядерном взаимодействии кроется источник энергии извергающихся вулканов и ужасных землетрясений. Чтобы объяснить это взаимодействие, ввели новую частицу. Нейтрон, например, нестабилен и со временем распадается на протон и электрон. Такой процесс называется бета-распадом. Но, чтобы расчеты стали возможными, физикам пришлось ввести в уравнение третий член – частицу, получившую название «нейтрино».
Нейтрино иногда называют призрачной частицей, потому что оно способно пронизывать целые планеты и звезды без какого-либо взаимодействия или поглощения. В это самое мгновение через ваше тело проходит поток нейтрино из глубокого космоса, причем часть его до этого прошла через нашу планету. Мало того, эти частицы могли бы свободно пролететь сквозь толщу сплошного свинца, протянувшуюся от Земли до ближайшей звезды.
Паули, предсказавший существование нейтрино в 1930 г., однажды пожаловался: «Я совершил непростительный грех. Я ввел частицу, которую невозможно наблюдать»
[37]. Но, какой бы неуловимой ни была эта частица, в конце концов ее экспериментально зарегистрировали в 1956 г. при анализе мощного излучения, испускаемого ядерным реактором. (Хотя нейтрино почти не взаимодействует с обычным веществом, физики сумели компенсировать этот недостаток, воспользовавшись тем фактом, что ядерный реактор испускает огромное число нейтрино.)
Чтобы разобраться в слабом ядерном взаимодействии, физики снова ввели новую симметрию. Поскольку электрон и нейтрино – пара слабо взаимодействующих частиц, было высказано предположение, что их можно объединить и таким образом получить новую симметрию, которую, в свою очередь, можно объединить со старой симметрией теории Максвелла. Получившаяся в результате теория, которую назвали электрослабой, объединила электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие.
Электрослабая теория Стивена Вайнберга, Шелдона Глэшоу и Абдуса Салама принесла им в 1979 г. Нобелевскую премию.
Так что свет, вместо того чтобы, как надеялся Эйнштейн, объединиться с гравитацией, на деле предпочел объединиться со слабым ядерным взаимодействием.
Если сильное ядерное взаимодействие основано на симметрии Гелл-Манна, которая связывает три кварка воедино так, что они образуют протоны и нейтроны, то слабое ядерное взаимодействие опирается на менее масштабную симметрию – перестановку электрона и нейтрино, которая объединяется с электромагнетизмом.
Но какие бы возможности ни открывали кварковая модель и электрослабая теория при описании зоопарка элементарных частиц, в этом описании по-прежнему оставалась зияющая дыра. Вопрос был в том, что удерживает все эти частицы вместе.
