Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

Колумбійський університет скликав, напевне, першу в історії прес-конференцію для оголошення наукового результату. Фейнман програв 50 доларів, а от Вольфгангу Паулі пощастило більше. 15 січня він написав із Цюриха листа Вікторові Вайскопфу в МТІ, у якому закладався, що експеримент Ву не виявить порушення парності, не знаючи, що він уже це виявив. У листі Паулі проголосив: «Я відмовляюся вірити, що Бог слабкий ліворукий», – продемонструвавши заодно несподівану пристрасть до бейсболу. Вайскопф, який на той час уже знав про отриманий результат, був надто добрий, щоб прийняти парі.

Пізніше, почувши новини, Паулі писав: «Тепер, коли перший шок минув, я починаю брати себе в руки». То був дійсно шок. Ідея, що одна з фундаментальних сил природи розрізняє правий і лівий бік, була просто-таки ляпасом здоровому глузду, а заодно й більшості основ сучасної фізики в тому вигляді, на якому вона розумілася тоді.

Шок був настільки великим, що той рік став одним із лише кількох разів в історії Нобелівських премій, коли волю Нобеля було дотримано як слід. Його заповіт вказує, що премія в кожній галузі має присуджуватися людині або людям, чия робота була найважливішою того року. У жовтні 1957-го, майже рівно через рік після публікації статті Лі та Янга, та лише через десять місяців після підтвердження їхньої ідеї Ву та Ледерманом, 30-річний Лі та 34-річний дорослий з обличчям дитини Янг спільно отримали за свою ідею Нобелівську премію. На жаль, Мадам Ву, яку називали китайською мадам Кюрі, була вимушена вдовольнитися здобуттям двадцять років по тому першої Премії Вольфа з фізики.

Зненацька слабка взаємодія стала одночасно цікавішою та заплутанішою. Теорія Фермі, якої досі було цілком достатньо, була грубо скопійована з електромагнетизму. Електромагнітну взаємодію можна розглядати як силу між двома різними електричними струмами, які відповідають двом окремим рухомим електронам, що взаємодіють між собою. Слабку взаємодію можна розглядати дещо аналогічним чином, якщо в одному зі струмів нейтрон під час взаємодії конвертується в протон, а в іншому струмі перебувають вихідний електрон і нейтрино.

Проте є дві ключові відмінності. У слабкій взаємодії Фермі два різні струми взаємодіють в одній точці, а не дистанційно; також струми в слабкій взаємодії в процесі поширення простором допускають зміну частинками їхнього типу.

Тоді як електромагнітні взаємодії в дзеркалі такі самі, як і в реальному світі, у слабкій взаємодії, якщо порушується парність, її «струми» повинні мати, як указував Паулі, «хіральність», як у штопора чи ножиць, і їхні дзеркальні відображення відрізнятимуться.

Таким чином, порушення парності в слабких взаємодіях нагадує правило етикету, згідно з яким ми завжди робимо рукостискання правицею. У дзеркальному світі люди завжди робитимуть рукостискання лівицями. Отже, реальний світ відрізняється від свого дзеркального відображення. Якщо струми в слабкій взаємодії мають хіральність, то слабка взаємодія здатна розрізняти правий і лівий боки, і в дзеркальному світі відрізнятиметься від сили, що діє в нашому з вами світі.

Спроби фізиків визначити, які саме типи нової можливої взаємодії можуть замінити просту міжструменеву взаємодію Фермі, у рамках якої задіяним частинкам не можна було приписати жодної очевидної хіральності, призвели до чималих зусиль та бентежень. Теорія ймовірності допускала велике розмаїття можливих узагальнень взаємодії Фермі, проте результати різних експериментів приводили до різних і взаємовиключних математичних форм цієї взаємодії, тож видавалося неможливим, що всі вони можуть бути пояснені однією універсальною слабкою взаємодією.

Десь о тій порі, коли з’явилися перші експериментальні результати стосовно нейтронного й мюонного розпадів, які свідчили, що порушення парності було настільки великим, наскільки це взагалі можливо, юний докторант Рочестерського університету Джордж Сударшан почав вивчати цю заплутану ситуацію та запропонував те, що зрештою виявилося правильною формою універсальної взаємодії, здатної замінити форму Фермі, і що також вимагало, аби принаймні деякі з одержаних на той час експериментальних результатів виявилися хибними.

Решта історії дещо трагічна. Сударшан попросив дозволу представити свої результати на Рочестерській конференції, яка відбувалася через три місяці після відкриття порушення парності й через рік після того, як Лі та Янг представили свої перші міркування стосовно дублювання парності. Проте через те, що він був лише докторантом, йому відмовили. Його науковий керівник Роберт Маршак, який і запропонував Сударшану взятися за цю дослідницьку проблему, на той час уже займався іншою проблемою ядерної фізики й вирішив доповідати на засіданні саме на цю тему. Інший член факультету, якого попросили згадати у своєму виступі роботу Сударшана, також про це забув. Тож на цьому засіданні дискусія щодо можливої форми слабкої взаємодії в підсумку завершилася нічим.

До цього, 1947 року, Маршак був першим, хто висловив думку, що в ході експериментів Сесіла Пауелла було відкрито два різні мезони, причому один був частинкою, що її передбачив Юкава, а другий – тим, що нині зветься мюоном. Також Маршак започаткував Рочестерську конференцію і, можливо, вважав, що, якщо дозволить виступати на ній своєму учневі, це сприймуть як фаворитизм. Крім того, оскільки ідея Сударшана вимагала хибності принаймні частини експериментальних даних, Маршак, можливо, вирішив, що презентувати її на цьому засіданні зарано.

Того літа Маршак працював у «RAND Corporation» у Лос-Анджелесі й запросив Сударшана та ще одного студента приєднатися до нього. Двоє найвизначніших на той час фізиків-теоретиків у галузі елементарних частинок, Фейнман і Маррі Гелл-Манн, працювали в Калтеху, і обома оволоділа одержимість розгадати таємницю форми слабкої взаємодії.

Фейнман упустив відкриття порушення парності, не довівши власної лінії роздумів до логічного завершення, проте відтоді зрозумів, що його робота над квантовою електродинамікою може пролити світло на слабку взаємодію. Він відчайдушно жадав це зробити, оскільки вважав свою роботу над КЕД усього-на-всього невеличким технічним чаклунством, значно менш благородним за відшукування форми закону, що керує ще одним різновидом фундаментальних взаємодій у природі. Проте форма слабкої взаємодії, яку Фейнман запропонував, на перший погляд також суперечила тогочасним експериментальним даним.

Упродовж 1950-х років Гелл-Манн став автором багатьох найважливіших та найдовговічніших із тогочасних ідей у фізиці елементарних частинок. Він був одним із двох фізиків, які висловили думку, що протони й нейтрони складаються з більш фундаментальних частинок, які він назвав кварками. Гелл-Манн мав свої причини розмірковувати над парністю та слабкою взаємодією. Значній частині свого