Исторические данные свидетельствуют о том, что они наткнулись на некую важную закономерность. Очевидно, что чувство прекрасного Ньютона не только привлекло его к тайнам древнего знания, но и указало ему путь к простым и строгим расчетам, лежащим в основе кривых, по которым движутся пушечные ядра, планеты и кометы, тем самым раскрывая секреты всемирного тяготения. До него эстетическим рассуждением пользовались Коперник и Галилей, бывшие одними из величайших мыслителей науки, а после Ньютона должно было прийти еще много других. Действительно, в истории физических наук слишком много случаев успешного эстетического рассуждения, чтобы перечислять их даже вскользь, поэтому я ограничусь одним важным эпизодом из новейшей истории физики элементарных частиц. Это укрепит наши аргументы в пользу эффективности красивых теорий, а следовательно, против рациональности железного правила.
История наша начинается в 1931 году, с того, что Джеймс Чедвик подтвердил существование нейтрона. После этого открытия природа основных элементов, составляющих любую материю, казалась наконец установленной. Атомы состояли из ядер, сложенных из протонов и нейтронов, окруженных электронами, а электромагнитное излучение состояло из фотонов, и таким образом существовало всего четыре вида элементарных частиц. Монах Бертферт был бы рад увидеть, что правило четырех обеспечивает плавный переход от античной и средневековой метафизики к физике ХХ века.
Или не вполне плавный: на тот момент предполагалось, что существует еще две дополнительные, пока не открытые, частицы: пион, чья деятельность, как предполагалось, помогает удерживать элементы атомного ядра вместе, и нейтрино, маленькая загадочная частица, возникающая при определенном виде радиоактивного распада. Тем не менее даже Аристотель добавил в свою теорию пятый элемент – квинтэссенцию, из которой, как он предполагал, состоят небесные тела. Но тогда почему элементов не может быть шесть?
Но если бы на пятой и шестой элементарных частицах дело закончилось. В 1930-х –1940-х годах физики-ядерщики отправились на горные вершины Америки и Европы. Их цель состояла в том, чтобы подобраться как можно ближе к высокоэнергетическому излучению, проникающему в верхние слои атмосферы Земли из неизвестных источников в космосе, так называемым космическим лучам. Там их ожидало ошеломляющее зрелище. Когда космические лучи сталкивались с молекулами воздуха, то создавали нечто, чего никто никогда раньше не видел: совершенно новые частицы, такие как мюон, каон и таинственная лямбда.
Затем, с появлением и развитием сложных ускорителей частиц, таких как Космотрон в Брукхейвенской национальной лаборатории, расположенной в ста километрах к востоку от Нью-Йорка, путешествия в горы стали избыточными: странные частицы теперь можно было генерировать в пригородах Лонг-Айленда. Одновременно с этим все более чувствительные детекторы – например, пузырьковая камера, изобретенная в 1952 году Дональдом Глейзером, – делали эти частицы все более заметными. И продолжали появляться все новые виды частиц: кси, сигма, дельта, новые виды пионов и каонов, эта-мезон…
Разнообразие было столь же восхитительным, сколь и ошеломляющим, все больше напоминая изобилие тропических лесов, нежели предполагаемую основу Вселенной. Казалось, что какой-то очень странный биологический закон создает, как выразился Роберт Оппенгеймер, настоящий «зоопарк» частиц. Окажется ли коносамент для фундаментальных единиц реальности больше похожим на современную биологическую таксономию – например, на древо птиц, показанное на рисунке 10.7, – чем на реализацию концепции о четырех первоэлементах? Или кто-то найдет в этом «зоопарке» скрытый порядок и простоту?
Мюррей Гелл-Манн рос в Нью-Йорке, в нищете, в семье иммигрантов из Восточной Европы, которые так и не смогли до конца воплотить в жизнь американскую мечту. Уже в раннем возрасте его признали вундеркиндом. Он окончил школу гораздо быстрее своих сверстников и уже в 15 лет поступил в Йель. Шел 1944 год, и большая часть Йельского кампуса была отдана под военную подготовку. Археология и лингвистика были главными интересами Гелл-Манна в то время, но его суровый и требовательный отец настоял, чтобы сын изучал что-то практически полезное – если не инженерное дело, то хотя бы физику. И пока все вокруг были поглощены мировой войной и торжеством американского оружия, 15-летний подросток погрузился в тонкую гармонию мира природы.
Впереди его ждало множество далеко идущих открытий: благодаря своему чутью на скрытую красоту Гелл-Манн стал одним из самых выдающихся физиков ХХ века. Он получил докторскую степень в 1951 году, как раз в тот момент, когда ворота «зоопарка» частиц распахнулись и физики застыли в ужасе при виде многообразия новых и неожиданных форм материи. Вскоре после этого Гелл-Манн задумался о новом свойстве материи, которое он назвал «странностью». Так, частица может обладать не только определенным электрическим зарядом, но и определенной степенью странности, положительной или отрицательной. Протоны и нейтроны вообще не обладают странностями – или, точнее, их «число странностей» равно нулю. Но некоторые из новых частиц, начиная с лямбды, были действительно странными. («Число странности» лямбда-частицы равно –1.) Когда частицы сталкиваются или распадаются, превращаясь в другие частицы, странность «приблизительно сохраняется»: сумма их чисел странности имеет сильную тенденцию оставаться неизменной до и после столкновения, как если бы любая совокупность материи содержала фиксированное количество странностей, которое можно легко перемещать от частицы к частице, а вот увеличить или уменьшить – очень сложно.
Постулирование странности привнесло в «зоопарк» некоторую дисциплину в виде формулы, связывающей странность частиц с их электрическим зарядом и некоторыми другими известными свойствами. Оно также объяснило загадочно долгое время, которое требовалось лямбда-частице для распада: оказалось, что распад не может произойти без изменения количества странностей в окружающем мире. Это не предотвращает распад полностью, но значительно тормозит, позволяя лямбде задержаться на несколько дополнительных долей наносекунды перед распадом.
Странность была лишь первым из открытий Гелл-Манна о структуре материи. В 1961 году он опубликовал «Геометрическую организацию адронов», класса частиц, который включает протоны, нейтроны и большинство других элементарных частиц. Эта схема распределяла адроны по нескольким различным группам в соответствии с тем, что Гелл-Манн назвал «восьмеричным способом».
Восьмеричный способ можно представить как организацию заданного набора из восьми частиц – «октета» – в таблице, где строки соответствуют номеру странности частиц, а столбцы – их электрическому заряду (рис. 10.11). В октетах существует глубокая симметрия, которую невозможно отобразить на бумаге – для этого нужно гораздо больше, чем два пространственных измерения, – но которая при этом математически закодирована в так называемой группе симметрии SU (3). Достаточно сказать, что в глазах Гелл-Манна и других физиков-теоретиков такое расположение частиц несло в себе некую формальную красоту, математическую правильность, которая полностью соответствует порядку, отображаемому в квинарианской системе или на диаграмме Бирхтферта.
Через пару лет Гелл-Манн пришел к выводу, что его октеты вместе с «декуплетом» из 10 более экзотических частиц указывают на более глубокий организующий принцип в природе. Точно так же, как сложная структура диаграммы Бирхтферта генерируется квартетом – горячий, сухой, влажный и холодный – а структуры приверженцев квинарианской системы генерируются повторяющейся пятикратной симметрией, так и октеты и декуплеты были порождены принципом трех элементов, триплетов, называемым «фундаментальным представлением» SU(3). Гелл-Манн ухватился за эту троичность, выдвинув гипотезу о том, что все частицы в октетах и декуплетах были построены из более фундаментальных частиц, кварков, которых существовало три вида: верхние, нижние и странные (вместе с их «античастицами»). Протон, например, состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего» кварка, в то время как положительный пион состоит из одного «верхнего» кварка и одного «нижнего» антикварка. Некогда уникальная лямбда-частица оказывается ничем иным, как объединением верхнего кварка, нижнего кварка и (конечно же) странного кварка.
Рисунок 10.11. Октет Гелл-Манна, содержащий протон и нейтрон. Строки имеют одинаковое значение странности; столбцы имеют одинаковое значение заряда. В центре находится лямбда-частица, обозначенная Λ0
Погоня за красотой привела к истине: почти все современные ученые признают реальность кварков (которых, как теперь выясняется, существует шесть видов: три гелл-манновских и еще три гораздо более крупных). Однако в 1961 году Гелл-Манн уже не мог отстаивать восьмеричную систему только из-за очарования ее симметричности, лишь ради утоления своей жажды прекрасного. Нужны были веские доказательства. Частью этого доказательства была способность теории объяснить наблюдаемые свойства многочисленных частиц; еще лучше подошло бы новое предсказание, впоследствии подтвержденное наблюдением. С эмпирической, а не с эстетической точки зрения, это было бы признаком установленной истины.
В июле 1962 года на конференции в ЦЕРНе, в Швейцарии, было объявлено об открытии двух новых частиц кси: [зн] и [зн]. Гелл-Манн, сидевший в тот день в аудитории, понял, что новые частицы, наряду с семью ранее известными, заполнят все лакуны, кроме одной, в потенциальном декуплете из 10 частиц, показанном на рисунке 10.12. Подобно квинарианцам, которые ввели дополнительные семейства рапторов для завершения своих элегантных пятиступенчатых таксономических кругов (рис. 10.4), или Д’Арси Томпсону, который вывел структуру отсутствующей части бедренной кости камптозавра, чтобы сохранить простоту и непрерывность своих геометрических преобразований (рис. 10.10), Гелл-Манн предположил, что эта дополнительная частица должна существовать для того, чтобы поддерживать красоту восьмеричного принципа. Во время дискуссии он неторопливо подошел к доске, нарисовал декуплет с его наводящим на размышления промежутком, а затем заполнил этот пробел, смело предсказав существование новой частицы с определенным зарядом, странностью и массой, омега-минус – названной так потому, что омега – последняя буква греческого алфавита, что в метафорическом плане должно было отражать завершение схемы.