Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй - Лоуренс Краусс

Казалось, что мезон Юкавы наконец-то открыт. Что же до его «партнера» – мюона, который прежде путали с мезоном Юкавы, то это была совсем другая частица. Во-первых, она не была лишена спина; напротив, она имела такой же спин, как электрон и протон. А ее взаимодействие с веществом было далеко не таким сильным, чтобы играть какую-то роль в ядерном связывании. Мюон оказался просто тяжелой, хотя и нестабильной копией электрона, что и послужило поводом для вопроса Раби: «А это кто заказывал?»

Итак, в конечном итоге оказалось, что частица, прославившая в 1936 г. Юкаву, вовсе не была той, которую он предсказал. Его идея приобрела известность потому, что первоначальный экспериментальный результат был неверно интерпретирован. К счастью, Нобелевский комитет дождался открытия пиона в 1947 г., прежде чем присудить Юкаве премию в 1949 г.

Учитывая длинную череду ошибок и присвоения неверных имен, естественно задаться вопросом: действительно ли пион был той частицей, которую предсказал Юкава? Ответ: одновременно и да и нет. Обмен заряженными пионами между протонами и нейтронами действительно позволяет точно оценить сильное ядерное взаимодействие, скрепляющее ядра атомов. Но, помимо заряженных пионов – мезонов, предсказанных Юкавой, существуют и нейтральные пионы. А их кто заказывал?

Более того, выдвинутая Юкавой теория для описания сильного взаимодействия, как и теория Ферми для описания нейтронного распада, не была полностью математически согласованной, что признавал и сам Юкава, когда предлагал ее. В то время еще не существовало корректной релятивистской теории, описывающей обмен массивными частицами. Чего-то по-прежнему не хватало, и серия удивительных экспериментальных открытий в сочетании с провидческими теоретическими идеями, которые, к сожалению, применялись не к тем теориям, привели к десяти с лишним годам путаницы, прежде чем туман рассеялся и появился свет в конце туннеля. Или, может быть, в устье пещеры.

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[11]. 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.