Книга Наука. Величайшие теории. Выпуск 6. Когда фотон встречает электрон. Фейнман. Квантовая электродинамика - Мигуэль Ангел Сабадел

Король Швеции Густав VI Адольф приветствует Марри Гелл-Мана (справа) после вручения ему Нобелевской премии по физике в 1969 году.

Именно в университете Гелл-Ман начинает видеть свое призвание в изучении физики. Поступить в университет ему оказалось непросто, несмотря на то что в школе Гелл-Ман считался вундеркиндом: Йельский университет принял его только на математическое отделение, Гарвард — лишь при условии полной оплаты, а Принстон решительно ему отказал. При таких обстоятельствах он решает учиться в МТИ, куда и поступает в 1948 году, в эпоху, когда квантовая электродинамика становится популярной. Его наставник, Виктор Вайскопф, сказал ему, что будущее принадлежит Фейнману, поэтому Гелл-Ман начинает кропотливо изучать все его статьи. В результате изучения предмета у него складывается сугубо личное видение ученого мира КЭД: Фейнмана он считает прямолинейным, Швингер кажется ему пустым и чопорным, а Дайсон — ординарным и небрежным. В 21 год, после получения своей докторской степени, он уезжает работать с Ферми в Чикагский университет. В это время исследователи физики частиц должны были навести порядок в результатах, предоставленных ускорителями частиц: по мере того как они продвигались в своей работе, появлялись все новые частицы. Положение в данной области довольно запутанное: в журнале Review of Modern Physics финн Мэтт Росс описал 41 различную частицу. Говорить об «элементарных частицах» после этого просто смешно.

Странность

Вот уже десяток лет физики думали о том, как лучше объяснить четыре фундаментальные взаимодействия природы: гравитационное, управляющее миром планет и звезд; электромагнитное взаимодействие, отвечающее за химические реакции и электрические процессы; сильное взаимодействие, которое поддерживает вместе протоны и нейтроны в атомном ядре, а также слабое взаимодействие, объясняющее бета-распад. Каждое из них играло свою четко обозначенную роль. Тем не менее ускорители начинали открывать частицы Λ в значительных количествах. Как объяснить то, что в хорошо организованном мире частиц имелась одна, за создание которой отвечает сильное взаимодействие, тогда как ее распадом, возможно, управляет слабое? Чтобы разъяснить этот момент, Гелл-Ман в 1952 году постулировал существование новой фундаментальной характеристики субатомного мира, которую он вначале назвал у. Речь шла о новом виде заряда. И именно в этом заключался революционный характер его теории: этот заряд у не вел себя как электрический заряд. В случае последнего, независимо от того, что может внезапно произойти в мире, электрический заряд сохраняется. То есть, если в начале любого процесса общий заряд системы равен нулю, то окончательный заряд тоже будет равен нулю. Как следствие, нейтрон, который является нейтральной частицей, распадается на протон (с положительным зарядом), электрон (с отрицательным зарядом) и антинейтрон (без заряда). В то же время, в случае заряда г/, Гелл-Ман настаивал на том, что он сохранялся... иногда. Его предположение, которое ученый развернул в нескольких статьях, опубликованных с августа 1953 года, заключалось в том, что у сохранялся при сильном взаимодействии, но не при слабом.

Во всех наших знаниях о фундаментальной физике не существует важной идеи, которая не носила бы имени Гелл-Мана.

Заявление Фейнмана в знак уважения к работе Гелл-Мана

Гелл-Ман представил следующий аргумент: так как у сохраняется, частицы, созданные распадом, должны появиться в виде пар частица-античастицы с зарядами, равными по значению, но с противоположными знаками. Частицы были бы постоянные, так как создание не-странных частиц противоречило бы законам сохранения, при условии, что в процессе участвует сильное взаимодействие. Но если мы имеем дело со слабым взаимодействием, ответственным за распад нейтрона, то законы сохранения не действуют и частицы смогут распадаться. Кроме того, по той же причине их средний срок жизни будет более продолжительным — именно то, что мы и наблюдаем.

Гелл-Ман отдавал себе отчет, что квантовое число у могло в равной степени служить для классификации частиц. Чем оно больше, тем невероятней прогноз: частица К0, или каон (нейтральный), должна иметь античастицу, отличную от нее. Это предположение было достаточно непривычным: до сих пор считалось, что античастицы нейтральных частиц, например фотона, тождественно совпадают со своей частицей. Когда выяснилось, что Гелл-Ман был прав, этот молодой физик, будущий лауреат Нобелевской премии, стал знаменитым. Следующий его шаг заключался в нарушении неписанной традиции именования новых частиц: он отождествил имя с квантовым номером, названным «странностью», и связанные частицы были названы «странными». Такое определение не пришлось по вкусу издателям журнала Physical Review Letters, которые исключили выражение «странные частицы» из названия статьи.

А в начале учебного года университет Калтех пригласил Гелл-Мана к себе, и тот согласился. Он устроился в кабинете, расположенном как раз над кабинетом Фейнмана. В возрасте 26 лет Гелл-Ман стал самым молодым профессором в истории университета. Общественное мнение сходилось на том, что в Калтехе тогда работали два лучших физика эпохи. При этом Гелл-Ман и Фейнман взаимно восхищались друг другом.

«Что мне всегда нравилось в Ричарде, так это отсутствие пафоса в его выступлениях. Я пресытился физиками-теоретиками, которые топили свою работу в математической лексике или выдумывали притязательные обозначения для того, что можно назвать довольно скромным вкладом в науку. Ричард излагал свои остроумные и оригинальные идеи, очень часто мощные, настолько просто, что его объяснения представлялись мне как сильный порыв свежего воздуха».

Иначе и быть не могло: они начали сотрудничать и могли часами вести дискуссии в своих кабинетах, занятые «обсуждением вопросов о космосе», как вспоминал об этом Марри впоследствии. Все-таки речь шла о союзе, основанном на несовместимости характеров: Гелл-Ман воплощал в себе образованного ученого, который неукоснительно и со строгостью судил других и их идеи и который всегда следил за последними научными открытиями. В противовес ему, Фейнман никогда не интересовался награжденными лауреатами. Все, что его занимало, — это информация о том, было ли предположение правильным.

Влево или вправо?

Давайте представим, что с помощью наших огромных радиотелескопов мы контактируем с внеземной цивилизацией и что это возможно только посредством радио. В данных условиях как мы можем указать инопланетянам на правую сторону? Мы не можем сказать им взять компас и посмотреть в сторону севера, так как то, что мы называем «север», является результатом произвольного решения. Сверяясь с компасом, мы должны помнить, что красная стрелка означает север; если это не так, мы можем выбрать его по своему желанию.