Эмми Нётер около 1910 года.
Теорема Нётер
Эмми Нётер (1882-1935), молодой немецкий математик, — наш проводник на этом пути. В 1918 году она доказывает теорему, известную сегодня как теорема Нётер, названную в ее честь. В тишине своего дома (женщины в то время не могли становиться профессорами в университетах) она открывает, что для каждой симметрии, которая существует в природе, должен существовать некоторый закон сохранения. Согласно теореме Нётер, сохранение энергии существует, так как законы физики не меняются со временем: они остаются такими же, как и сто лет назад, как вчера или завтра. Импульс — это другая величина, которая соответствует однородности пространства: неважно, проводим мы опыт в Сан-Франциско или в Мадриде, — мы всегда получим одинаковые результаты. Теорема Нётер также предполагает, что если мы не видим никакого изменения в природе, изменяя правую и левую стороны, тогда существует одно значение (четность), которое остается постоянным.
Единственная приемлемая альтернатива сводилась к тому, что должно существовать два типа каонов, которые различаются четностью. В любом случае, это поднимало новую проблему, так как эти два каона, окрещенные физиками may и тета, были полностью идентичными: в обоих случаях речь шла об абсолютно одинаковых бозонах с равными массами. И только распад на две или три частицы позволял их различать.
Электрон, движущийся влево
Такова была ситуация весной 1956 года, когда Гелл-Ман и Фейнман начали сотрудничать. В то время Фейнман уже был ученым, известным среди своих коллег: его диаграммы стали атрибутом повседневной работы физиков, которые, когда приезжали в Калтех, почитали за честь зайти и поздороваться с ним. Все хотели побеседовать с Фейнманом и рассказать о своих проблемах в исследованиях, и он их слушал: эта черта, которая делала его неотразимым в глазах женщин, также располагала к нему его коллег.
В этом году Фейнман и Гелл-Ман приняли участие в самом важном для физики частиц событии — Рочестерской конференции, проходившей в одноименном городе. Умы присутствующих были заняты головоломкой тау- и тета-каонов. В ночь на пятницу молодой человек по имени Мартин Блок предложил Фейнману возможное объяснение явления: речь могла идти о двух процессах одной частицы, идущих с изменением четности при слабых взаимодействиях. У Фейнмана было плохое настроение, и он готов был признать собеседника идиотом из-за таких идей, но он быстро понял, что не может придумать никакого возражения по существу.
На следующий день, к концу последнего субботнего заседания, Фейнман поднялся и спросил, упомянув про авторство Блока: может ли слабое взаимодействие изменить четность? Протокол конгресса сообщает, что ответил один молодой физик-теоретик по имени Ян Чжэньнин. Он объяснил, что проводил исследования на эту тему, но еще не пришел к определенному выводу. Тем не менее Ян сказал, что у него нет никакого доказательства существования такого нарушения. После собрания Фейнман и Гелл-Ман изучили данный вопрос и сделали вывод: не существует веских аргументов, позволяющих утверждать, что слабое взаимодействие не может нарушать закон сохранения четности. Но если так, тогда все казалось возможным. Никакой уверенности у них не было. По возвращении в свой университет Ян и его коллега Ли Чжэндао снова вернулись ко всем имеющимся экспериментальным данным, но не достигли успеха в решении этой проблемы. Тогда они предложили опыт, целью которого было окончательно определить, сохраняет ли слабое взаимодействие четность. Эксперимент в общих чертах состоял в том, чтобы проверить, было ли больше электронов с левой стороны, чем с правой, во время β-распада. В июне 1956 года ученые опубликовали статью, в которой изложили такую возможность. Это было настоящим безумием, но они смогли убедить коллегу из Колумбийского университета By Цзяньсюн проверить их теоретические выкладки на практике. Они были настолько убедительны, что вынудили By сократить ее отпуск с мужем, который она проводила в Европе, ради этого эксперимента. By доказала, что при охлаждении радиоактивного кобальта до сверхнизких температур и при его нахождении в магнитном поле электроны, испускаемые при β-распаде, перемещаются, главным образом, влево. Немного позже Леон Ледерман, будущий Нобелевский лауреат по физике 1988 года, а также коллега By по Колумбийскому университету, решил проверить эти результаты и изменил ее инструментарий, чтобы провести опыт. Он получил подтверждение: электрон стремился влево.
Для существования науки нужны умы, которые не принимают того, что природа следует некоторым предвзятым условиям.
Ричард Фейнман. «Природа физики» (1965)
Открытие нарушения четности вызвало настоящий шок в сообществе физиков. Фейнман же, когда узнал новость, начал танцевать. В следующем, 1957 году, Ли и Ян получили Нобелевскую премию. Вопреки всем ожиданиям, члены Нобелевского комитета исключили By из списков кандидатов на эту премию.
Слабая теория
Во время Конференции в Рочестере в 1957 году Ли сообщил результаты одного очень интересного наблюдения: нейтрино по своей сути — левша. Все известные частицы могут иметь два направления спина (если представить спин как вращение, это означает, что они могут вращаться как по часовой стрелке, так и в обратную сторону), за исключением нейтрино. Этот феномен привлек внимание Фейнмана. Он вспомнил, что уравнение, аналогичное уравнению Дирака, которое он вывел с помощью интегралов по траекториям, можно было применить и к нейтрино. Единственной проблемой было то, что таким образом полученные результаты отличались от экспериментальных. Если рассмотреть все виды взаимодействия нейтронов, протонов, электронов и нейтрино, то мы увидим необходимость ввести пять типов операторов, названных по свойствам их преобразований: скалярный (S), векторный (V), аксиально-векторный (А), тензорный (Т) и псевдоскалярный (Р). Иначе их называют токами: тензорный ток (Т), векторный ток (V) и так далее. Ферми считал, что β-распад мог объясняться как векторный ток (V). И это было основное предположение до 1956 года, когда доказали, что слабое взаимодействие нарушает четность. Это изменяло ситуацию: две из данных величин должны были бы тогда сочетаться, и опыты, казалось, указывали на то, что речь должна идти о S и Т или V и Т. Однако уравнения Фейнмана без тени сомнения делали очевидным сочетание V и А. Опьяненный своим открытием, он хотел поделиться им с коллегами, но времени на его выступление выделено не было. Фейнман использовал весь свой талант и все свое обаяние, чтобы убедить одного из ученых отдать ему пять минут времени от своей презентации для изложения теории. По иронии судьбы этим коллегой оказался Кеннет Кейз: именно ему Фейнман публично объяснял ошибочность его работы. Фейнман сделал свое сообщение и по окончании конференции уехал в Бразилию, намереваясь провести там лето.
Фейнманом овладела мысль вывести универсальное уравнение для последнего из четырех взаимодействий природы, которое оставалось описать. Это был, по его словам, последний шанс изложить фундаментальный закон. Когда Гелл-Ман вернулся, то рассказал ему, что долго общался с Робертом Маршаком, физиком из Рочестерского университета, и его сотрудником, Джорджем Сударшаном, молодым индийцем. Они обсуждали вероятность того, что V-A была единственной возможностью для слабого взаимодействия. Этот разговор стал стимулом для Фейнмана; в конечном итоге его теория оказалась верна:
«Я одним прыжком вскочил с места и заявил: «Сейчас я понимаю все. Все ясно, и я вам объясню это завтра». Они считали, что я шутил, но вовсе нет. Я должен был освободить себя от тирании S и Т, так как у меня была теория для V и А».
Фейнман был убежден, что он был единственным в мире, кто понимал, как V-A производили универсальную формулу слабого взаимодействия. Он принялся писать статью с невероятной скоростью, желая представить миру новую теорию. Между тем Гелл-Ман понял, что Фейнман раскрывает его предположение. И, хотя Гелл-Ман уверял Маршака в том, что не будет писать статью на тему V-A, слово свое он нарушил. В результате директор департамента физики столкнулся с ситуацией, когда два самых блестящих его ученых писали две статьи на одну и ту же тему. Это было неприемлемо, и он попросил их объединить усилия. Вопреки всем ожиданиям, они согласились.
По мнению физика Лоуренса Краусса, статья, которая из этого вышла, «была хаосом стилей, но, без тени сомнения, важной работой». Она взяла лучшее от каждого: формализм Фейнмана при описании нейтрино и наблюдения Гелл-Мана относительно симметрий и величин, сохраненных в слабых токах. Бедный Сударшан: никто не знал, что отчасти и он приложил руку к созданию теории V-A. Два гения Калтеха охотно признавали свой разговор с Маршаком и Сударшаном; они также не отрицали, что взяли их идею. Но все-таки единственная статья, цитируемая впоследствии как классический эталон в данной области, принадлежала Гелл-Ману и Фейнману.