Пол Хэлперн - Коллайдер
На «детском фото» запечатлена особая эпоха в истории Вселенной, отстоящая от Большого взрыва примерно на 300 000 лет. В «эпоху рекомбинации» электроны соединились с ядрами, образовав атомы. До этого момента электромагнитное излучение металось от одной заряженной частицы к другой, как шарик при игре в пинбол. Однако стоило отрицательно заряженным электронам остепениться и осесть возле положительно заряженных ядер, «игровой автомат» словно выключили, и помехи на пути излучения исчезли. Освобожденные от оков, горячие фотоны помчались по всей Вселенной, неся в себе слабый отпечаток распределения то чуть более, то чуть менее плотных скоплений атомов в космосе. С течением времени излучение остыло, а в более плотные области начало притекать вещество. Когда в них набралось столько водорода, что его ядра начали сливаться и дали старт стационарным цепным реакциям, зажглись первые звезды, которые стали излучать ядерную энергию в форме света и тепла.
Как появлялись звезды, планеты, галактики… - эти события небесной драмы интересуют прежде всего астрофизиков и астрономов. Что касается физиков, занимающихся элементарными частицами, их излюбленный вопрос - что было до рекомбинации? - относится к совсем уж незапамятным временам. Знание того, как вели себя фотоны, электроны, протоны, нейтроны и другие частицы, когда атомов не было и в помине, то есть в первые моменты жизни Вселенной, позволяет делать выводы о свойствах фундаментальных взаимодействий. Другими словами, ранняя Вселенная, как и коллайдер, представляет собой лабораторию высоких энергий. Данные с одного из приборов можно потом проверить на втором.
В том же году, когда Алфер и Гамов опубликовали свою «алфавитную» статью, Джулиан Швингер и Ричард Фейнман из Соединенных Штатов и Синъитиро Томонага из Японии независимо друг от друга выпустили цикл статей, в которых была изложена квантовая теория электромагнитного поля. (Томонага пришел к своим идеям, когда шла Вторая мировая война, поэтому у него не было возможности оповестить о них научную общественность.) В работах принстонского ученого Фримана Дайсона новая теория, названная квантовой электродинамикой (КЭД), приобрела законченный вид. Она в итоге стала образцом того, как должно выглядеть описание природных сил.
Из всех работавших над КЭД именно Фейнману принадлежит самая наглядная интерпретация ее математических формул. Он придумал очень удобную систему графических обозначений, отражающих процесс взаимодействия частиц друг с другом: электроны и остальные заряженные частицы изображаются стрелками, а фотоны - волнистыми линиями. Например, обмен фотоном между двумя электронами будет выглядеть так: две стрелки с течением времени сходятся, между их концами пробегает волнистая линия, и затем они расходятся. Приписав каждой подобной картинке определенное значение и установив правила, по которым они складываются, Фейнман дал рецепт вычисления вероятности любого события с участием электромагнитного взаимодействия. Эта система обозначений, известная как диаграммы Фейнмана, получила широкое распространение.
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.
