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

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.

Вслед за Паули мы можем сказать, что мать-природа – слабая левша. После осознания того шокирующего факта, что природа различает левое и правое, физика и сама повернула налево и двинулась по незнакомой дороге, лишенной привычных ориентиров. Чудесная упорядоченность периодической таблицы элементов, управляющей явлениями на атомных масштабах, уступила место загадке ядра и непостижимой природе сил, управляющих его поведением.

Миновали простые, как стало уже казаться, дни света, движения, электромагнетизма, тяготения и квантовой механики. Впечатляюще успешную теорию квантовой электродинамики, занимавшую до этого прочные позиции на переднем крае физики, сменил, казалось, беспорядочный мир экзотических явлений, связанных с новооткрытыми слабым и сильным ядерными взаимодействиями, которые правят самым сердцем материи. Их проявления и свойства нелегко было разделить, несмотря на то что одно из этих взаимодействий было в тысячи раз сильнее другого. Мир фундаментальных частиц все усложнялся, и ситуация с каждым годом становилась все запутаннее.

Если открытие нарушения четности спутало все карты, продемонстрировав, что у природы имеются совершенно неожиданные предпочтения, то первые лучи света на ситуацию пролило осознание того, что другие ядерные величины, на первый взгляд представлявшиеся совершенно различными, могут оказаться не такими уж разными, если рассматривать их в фундаментальной перспективе.

Быть может, важнейшим открытием в ядерной физике было то, что протоны и нейтроны способы превращаться друг в друга, как предположил Юкава много лет назад. На базе этого открытия и сформировалось постепенно понимание слабого взаимодействия. Однако большинство физиков чувствовало, что это открытие служит также ключом к пониманию сильного взаимодействия, скрепляющего, по-видимому, атомные ядра.

За два года до революционного совместного проекта с Ли, положившего конец священной лево-правой симметрии природы, Янг сосредоточил свои усилия на попытке разобраться в том, как другой тип симметрии, позаимствованный из квантовой электродинамики, может обнажить скрытую внутри ядра красоту. Возможно, как обнаружил Галилей в отношении основ движения, очевиднейшие вещи, наблюдаемые в природе, – это как раз те, которые наиболее эффективно маскируют ее фундаментальные свойства.

Постепенно – не только за счет прогресса в исследовании нейтронного распада и других слабых эффектов в атомных ядрах, но и из наблюдения сильных ядерных столкновений – становилось ясно: когда в дело вступает фундаментальная физика, определяющая ядерные явления, очевидное различие между протонами и нейтронами (протон заряжен, а нейтрон нейтрален) может оказаться несущественным. Как минимум в том же смысле, как несущественна очевидная разница между падающим пером и падающим камнем для нашего понимания физики тяготения и падающих объектов.

Во-первых, слабое взаимодействие умеет превращать протоны в нейтроны. Еще важнее, что если сравнить скорости других, более сильных ядерных реакций, в которых сталкиваются протоны или нейтроны, то замена протонов нейтронами и наоборот слабо влияет на результат.

В 1932 г., когда был открыт нейтрон, Гейзенберг высказал предположение о том, что протон и нейтрон могут оказаться всего лишь двумя состояниями одной и той же частицы, и придумал для их различения параметр, который назвал изотопическим спином. В конце концов, массы у них почти одинаковы, а в легких стабильных ядрах их содержится равное количество. Вслед за этим и после того, как известные физики-ядерщики Бенедикт Кассен, Эдвард Кондон, Грегори Брейт и Юджин Финберг признали, что ядерные реакции, по-видимому, практически не различают протоны и нейтроны, блестящий математический физик Юджин Вигнер предположил, что в ядерных реакциях «сохраняется» изотопический спин. Подразумевалось, что это фундаментальная симметрия, управляющая ядерными силами между протонами и нейтронами. (Ранее Вигнер разработал правила, демонстрирующие, как симметрии в атомных системах в конечном итоге допускают полную классификацию атомных состояний и переходов между ними, за что впоследствии был удостоен Нобелевской премии.)

Ранее, при обсуждении электромагнетизма, я отметил, что суммарный электрический заряд не меняется в ходе электромагнитного взаимодействия – то есть электрический заряд сохраняется – благодаря фундаментальной симметрии между положительным и отрицательным зарядами. Фундаментальная связь между законами сохранения и симметриями намного шире и глубже этого единственного примера. Глубокие и неожиданные отношения между законами сохранения и симметриями в природе стали важнейшим ведущим принципом физики XX века.