Чтение онлайн

Квантовая электродинамика излечила некоторые математические недуги, ставшие настоящей напастью для квантовых теорий электронов и других заряженных частиц. До этого теоретики, пытаясь применить квантовую концепцию к электронам, то и дело наталкивались в вычислениях на не имеющие смысла «бесконечности». Фейнман показал, что если применить особую процедуру (провести так называемую перенормировку), вклады от части диаграмм взаимно уничтожаются, и получается конечный ответ.

Вдохновленные успехом КЭД, в 50-х гг. многие теоретики решили применить аналогичные методы к слабому, сильному и гравитационному взаимодействиям. Но это теоретическое троеборье оказалось не таким легким, как виделось на первый взгляд. Каждый этап эстафеты таил в себе свои препятствия.

На тот момент в теорию бета-распада Ферми, которая в новой версии стала называться универсальным взаимодействием

Ферми, были включены мюоны. Одно из главных предсказаний этой теории получило свое подтверждение в середине десятилетия. Фредерик Рейнс и Клайд Коуэн из Лос-Аламосской национальной лаборатории поместили возле атомного реактора огромный контейнер с жидкостью и впервые впрямую зарегистрировали нейтрино. Эксперимент был нацелен на то, чтобы поймать редкие случаи взаимодействия реакторных нейтрино с протонами жидкости. Последние при этом превращаются в нейтроны и позитроны (антиэлектроны) - происходит так называемый обратный бета-распад. Когда частица встречает свою античастицу, они аннигилируют (исчезают), излучая свою энергию в фотонах. К испусканию фотонов приводит и поглощение жидкостью нейтронов. Поэтому Рейнс и Коуэн догадались, что по паре одновременных вспышек (во второй, светочувствительной жидкости), вызываемых этими двумя потоками фотонов, можно судить о присутствии нейтрино. Как ни редки такие события, экспериментаторы их засекли. Последующие эксперименты с гораздо большими объемами жидкости, проведенные Рейнсом и Коуэном, а также другими группами, подтвердили этот революционный результат.

Когда последний ингредиент теории Ферми - предшественницы теории слабого взаимодействия - получил свое экспериментальное подтверждение, физики уже начали осознавать ее очевидную неполноту. Особенно явно она выступала при сравнении с потрясающими результатами КЭД. В КЭД в изобилии присутствуют всевозможные естественные симметрии. На диаграммах Фейнмана, где представлены электродинамические процессы, одна из них просто бросается в глаза. Поменяем направление временной оси, заставив течь время в противоположном направлении, - рисунок от этого не изменится. Следовательно, процессы, идущие вперед и назад по времени, не отличаются. Эта симметрия называется инвариантностью относительно обращения времени.

Вторая симметрия сравнивает между собой процесс и его зеркальное изображение. Если процесс в зеркале идет так же, как и без него (эта ситуация имеет место в КЭД), говорят о сохранении четности. Скажем, буква «Ш», совпадающая со своим зеркальным изображением, четность сохраняет, а вот букве «Щ» ее хвостик мешает это сделать.

В КЭД, кроме того, идеально сохраняется масса, давая повод ввести еще одну симметрию. Когда электроны (или другие заряженные частицы) перекидываются между собой фотонами, последним, что бы ни случилось, запрещается носить с собой массу. Электроны в электромагнитных процессах остаются электронами и никогда не меняют свой облик. Не надо быть гением, чтобы заметить разницу с бета-распадом, где электроны жертвуют своим зарядом и массой и примеряют на себя образ нейтрино.

Вопрос о симметриях слабого взаимодействия в 1956 г. выступил на передний план, когда американские физики китайского происхождения Цзун Дао Ли и Чэнь Нин (Фрэнк) Янг предложили изящное решение загадки с распадом мезона. Примечательно, что у положительных каонов есть два канала распада: они распадаются на два или три мезона. Причем четности конечных состояний не совпадают. Поэтому напрашивалось объяснение, что и рождающие их частицы относятся к разным классам. Но Ли и Янг показали: если допустить, что в слабых процессах четность не сохраняется, и те и другие продукты могут происходить от одной-единственной частицы. Так что иногда распады с участием слабых сил в зеркале меняют свою внешность. Нарушение четности на первый взгляд противоречит здравому смыслу, но оно, как оказалось, дает ключ к пониманию деталей слабого взаимодействия.

Ядерные силы не в пример бережнее относятся к сохранению четности. Благодаря Юкаве это мощное, но короткодействующее взаимодействие в 50-х гг. одним из первых могло похвастаться квантовой версией. Но поскольку тогда экспериментаторы еще не имели понятия о внутренней структуре самих нуклонов, теория Юкавы оставалась неполной.

Последним звеном в единой модели всех взаимодействий должна была стать квантовая теория гравитации. Беря пример с КЭД, физики пытались построить аналогичную теорию гравитации, но перед ними одна за другой вырастали каменные стены. А загвоздка вот в чем. Если КЭД описывает процессы, развертывающиеся во времени (например, рассеяние одного электрона на другом

посредством обмена фотоном), то гравитация, как утверждает общая теория относительности, - это проявление кривизны четырехмерной геометрии, существующей вне времени. Проще говоря, гравитация подвижна не больше статуи. Никакие разговоры о квантовой гравитации были невозможны, пока в эту вневременную теорию не удалось чудесным образом включить эволюцию. Крупный успех последовал в 1957 г., когда Ричард Арновитт, Стэнли Дезер и Чарльз Мизнер придумали, как разрезать пространственно-временной пирог на трехмерные слои, насаженные на линию времени. Их метод, формализм АДМ, обеспечил теоретиков динамической теорией гравитацией, уже пригодной для квантования.

Второе серьезное препятствие, не дающее увязать тяготение с другими силами, возникает из-за гигантской разницы в интенсивности взаимодействий. Оно получило название проблемы иерархии. На субатомном уровне гравитация в 1040 (единица с 40 нулями) раз хилее электромагнетизма, который, в свою очередь, значительно уступает ядерным силам. Собрать все это в рамках единой теории - сложная задача, удовлетворительное решение которой еще только предстоит найти.

Наконец, палкой в колесах торчит перенормировка гравитационных двойников КЭД. К величайшему разочарованию теоретиков, методы Швингера, Фейнмана и Томонаги не сработали: бесконечные слагаемые, выскакивающие при попытке проквантовать гравитацию, не почувствовали их действия. Гравитация оказалась капризнее, чем мы думали.

Одна из самых высоких целей человеческих изысканий - прийти к единству. Мы жаждем полноты, однако каждое открытие общих черт приносит с собой новые примеры различий. Электричество и магнетизм, как показал Максвелл, составили блестящую партию, но любая другая сила была в ней третьим лишним. В таблицу Менделеева прекрасно вписывались все элементы, пока экспериментаторы не наткнулись на изотопы. Едва Резерфорд, Бор, Гейзенберг и их сподвижники подобрали атому красивую упаковку, как на сцену вышли нейтрино, антивещество, мюоны и мезоны.

В период с середины 50-х до середины 90-х гг. XX в. мощные ускорители один за другим вгрызались в замысловатый мир элементарных частиц, гораздо более сложный, чем мы могли себе представить. Вокруг привычных протонов, нейтронов и электронов неожиданно выросли буйные джунгли частиц с причудливыми свойствами и самой разной продолжительностью жизни. Лишь малую их толику можно было встретить в атоме. Подавляющее же большинство не имело к нему никакого отношения, если не считать подверженность одним и тем же фундаментальным силам. Это как если бы мы вошли на скотный двор и рядом с равнодушными коровами и овцами увидели голосящую толпу из диких носорогов, гиен, утконосов, мамонтов и каких-то неизвестных инопланетных тварей. Усмотреть в этом до смешного пестром зверинце, любезно предоставленном нам природой, хотя бы малейший намек на единство можно было, только обладая богатой фантазией, уникальной способностью улавливать общие черты и тонким чувством юмора.

Увидев неправильно закрепленную резиновую прокладку, из-за которой сорвалась демонстрация медицинских приложений циклотрона, Лоуренс пришел в бешенство. «Вон из лаборатории!
– кричал он молодому лаборанту.
– И не вздумай возвращаться!»46

Роберт Р. (Боб) Вильсон, аспирант Радиационной лаборатории в Беркли, которому суждено было подняться на высоту конструктора и руководителя крупнейшего проекта в истории американской физики высоких энергий, стоял и не знал, куда себя деть. Все сотрудники лаборатории, как положено, в белых медицинских халатах, пациенты с раковыми опухолями готовы начать лечение - нет, как можно быть таким невнимательным? Пациенты ждали, без преувеличения, днями и ночами. И чего?