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

В 1950-е гг. именно Гелл-Манну суждено было предложить многие из важнейших в то время и надолго сохранивших свое значение идей в физике элементарных частиц. Он был одним из двух физиков, которые предположили, что протоны и нейтроны состоят из более фундаментальных частиц, которые Гелл-Манн назвал кварками. У него были собственные причины размышлять о четности и слабом взаимодействии. Основой его успеха в значительной части была сосредоточенность на новых математических симметриях в природе, и он, помимо прочего, использовал эти идеи, чтобы предложить новую возможную форму для слабого взаимодействия, но опять же его идея противоречила экспериментальным данным.

Во время пребывания в Лос-Анджелесе Маршак организовал для Сударшана завтрак с Гелл-Манном, на котором они могли бы поговорить о своих идеях. Кроме того, они встретились с выдающимся экспериментатором Феликсом Бёмом, по словам которого, его эксперименты теперь соответствовали их идеям. Сударшан и Маршак узнали от Гелл-Манна, что его идеи созвучны с гипотезой Сударшана, но что сам Гелл-Манн планирует, быть может, включить этот момент одним параграфом в длинную статью по общим вопросам слабого взаимодействия.

Тем временем Сударшан и Маршак подготовили статью по своей идее, и Маршак решил приберечь ее и представить осенью на международной конференции в Италии. Однако Фейнман, узнав от Бёма о новых экспериментальных данных, решил – с немалым энтузиазмом, – что его идеи верны, и начал писать статью на эту тему. Гелл-Манн, будучи очень амбициозным по характеру, решил, что, раз Фейнман пишет статью по этому вопросу, ему тоже стоит написать статью. В итоге руководитель факультета убедил Фейнмана и Гелл-Манна написать совместную статью, что они и сделали. Статья привлекла огромное внимание и стала знаменитой. Хотя в текст и были включены благодарности за плодотворные дискуссии Сударшану и Маршаку, их собственная статья появилась позже в трудах конференции и не могла соперничать со статьей Фейнмана и Гелл-Манна в борьбе за внимание физического сообщества.

Позже, в 1963 г., Фейнман, всегда старавшийся проявлять великодушие в отношении идей, публично заявил: «Эту теорию открыли Сударшан и Маршак, но сделали популярной Фейнман и Гелл-Манн». Но это заявление прозвучало слишком поздно, да и было его явно недостаточно. Даже в лучшие времена трудно было бы конкурировать в вопросах славы с Фейнманом и Гелл-Манном, и Сударшану пришлось прожить много лет с сознанием того, что универсальную форму слабого взаимодействия, открытую двумя героями мировой физики, первым предложил именно он, причем с большей уверенностью, чем остальные.

Теория Сударшана, красиво изложенная в статье Фейнмана и Гелл-Манна, получила известность как V-A-теория слабого взаимодействия. Название ее имеет сугубо техническое происхождение и станет понятнее в последующих главах, однако фундаментальная идея этой теории проста, хотя и покажется неспециалисту одновременно нелепой и бессмысленной: токи, фигурирующие в теории Ферми, должны быть «левыми».

Чтобы разобраться в этой терминологии, вспомним, что в квантовой механике элементарные частицы, такие как электроны, протоны и нейтрино, обладают вращательным моментом импульса, то есть ведут себя так, как если бы вращались вокруг своей оси, хотя с классической точки зрения точечная частица не может считаться вращающийся. Теперь рассмотрим направление их движения и предположим на мгновение, что частица подобна волчку, вращающемуся вокруг своей оси. Протяните правую руку и расположите ее так, чтобы отставленный большой палец указывал в направлении движения частицы. Теперь согните остальные пальцы. Если они сгибаются в том же направлении (против часовой стрелки), в каком вращается частица/волчок относительно направления движения, то частицу называют правой. Если вытянуть левую руку и проделать ту же операцию, то левая частица будет вращаться по часовой стрелке, соответствуя движению согнутых пальцев вашей руки.

Если посмотреть на левую руку в зеркало, она будет выглядеть как правая рука; точно так же, если смотреть в зеркало на вращающуюся в полете стрелу, направление ее движения поменяется, так что если в реальном мире стрела летит прочь от вас, то в зеркале она будет лететь к вам, но направление ее вращения не поменяется. Таким образом, в зеркале левая частица превратится в правую. (Так что, если бы у бедняг в Платоновой пещере было зеркало, они, возможно, не удивлялись бы так сильно тому, что тени стрел меняют направление движения.)

Эта рабочая картинка левой частицы неточна, поскольку, если подумать, то левую частицу можно превратить в правую, просто двигаясь быстрее этой частицы. В системе отсчета, в которой человек покоится и видит, как мимо пролетает частица, она, возможно, будет двигаться влево. Но если вы сядете в ракету, направите ее влево и обгоните частицу, то относительно вас она будет двигаться вправо. В результате получается, что представленное выше описание является точным только для частиц, которые не имеют массы и потому движутся со скоростью света. Ведь если частица движется со скоростью света, ничто не может двигаться так быстро, чтобы ее обогнать. Математически точное определение левости частицы должно принимать во внимание данный эффект, но здесь мы к этому больше обращаться не будем.

Электроны могут вращаться в любом направлении, однако V-A-теория в математической форме утверждает, что лишь движущиеся электроны с левыми токами способны «чувствовать» слабое взаимодействие и участвовать в распаде нейтрона. Правые токи этого взаимодействия не чувствуют.

И что еще поразительнее, нейтрино чувствуют только слабое взаимодействие, и никакого другого. Насколько мы можем судить, нейтрино бывают только левыми. Дело не только в том, что лишь один сорт нейтринного тока может быть задействован в слабом взаимодействии. Во всех без исключения экспериментальных наблюдениях по сей день не встречалось правых нейтрино, – возможно, это самая наглядная демонстрация нарушения четности в природе.

Кажущаяся глупость такой организации предстала передо мной особенно выпукло несколько лет назад, когда в одном из эпизодов сериала «Звездный путь: Далекий космос 9» офицер по науке на космической станции обнаружила, что в казино, где сосредоточены азартные игры, что-то не так с законами вероятности. Она пропустила через подозрительное заведение нейтринный луч и обнаружила, что на выходе наблюдаются только левые нейтрино. Ясно, что здесь какой-то непорядок.

За исключением того, что именно так все и обстоит на самом деле.

Что не так с природой? Как так получается, что по крайней мере для одного из фундаментальных взаимодействий левое и правое не равнозначны? И почему нейтрино так отличаются от всех прочих частиц? Простой ответ на эти вопросы состоит в том, что мы пока этого не знаем, хотя само наше существование, которое является производным от природы известных взаимодействий, напрямую от этого зависит. Это одна из причин, почему мы стараемся это выяснить. Объяснение нового взаимодействия привело к новым загадкам и, подобно большинству загадок в природе, в конечном итоге дало нам ключ, который должен был повести физиков по новому пути открытий. Осознание того, что в природе нет симметрии левого и правого, которую прежде все считали фундаментальной, заставило физиков заново исследовать, как проявляются в нашем мире симметрии и, что еще важнее, как они не проявляются.