Поскольку представлялось невозможным, чтобы некий тип частиц распадался иногда на два, а иногда на три пиона, решение казалось простым. Требуется не одна, а две новые элементарные частицы с противоположными характеристиками четности. Пауэлл окрестил их тау-частицей и тета-частицей; одна из них распадалась на два пиона, другая – на три.
Наблюдения говорили о том, что эти две частицы обладают в точности одинаковой массой и временем жизни, что казалось немного странным, но Ли и Янг предположили, что это может быть общим свойством различных элементарных частиц; согласно их гипотезе, частицы существуют парами с противоположными значениями четности. Они назвали эту идею «удвоением четности».
Так выглядела ситуация весной 1956 г., когда началась Международная конференция по физике высоких энергий, проходившая каждый год в Университете Рочестера. В 1956 г. все сообщество ученых, интересующихся физикой элементарных частиц и ядерной физикой, легко вмещалось в одну университетскую лекционную аудиторию, и все эти ученые, включая и сильнейших игроков, старались приехать на эту ежегодную встречу. На той конференции Ричард Фейнман жил в одной комнате с Марти Блоком. Будучи экспериментатором, Блок не так остро реагировал на еретическое в то время предположение о том, что какая-то сила в природе может не быть слепа по отношению к правому и левому, и потому он спросил Фейнмана, не может ли оказаться так, что слабое взаимодействие, управляющее распадами, которые наблюдал Пауэлл, различает правое и левое. Это позволило бы одной и той же частице распадаться до состояний разной четности – имелось в виду, что тау- и тета-частицы оказались бы на поверку одной и той же частицей.
Блоку не хватило дерзости поднять этот вопрос на общем заседании, но Фейнману хватило, хотя сам он считал этот вариант чрезвычайно маловероятным. Янг ответил, что он и Ли думали об этом, но пока из этой идеи ничего не вышло. На заседании присутствовал и Юджин Вигнер, который позже получил Нобелевскую премию за разъяснение важности таких вещей, как четность, в атомной и ядерной физике; он тоже поднял вопрос о том, не может ли слабое взаимодействие различать правое и левое.
Однако всё достается победителю, а от простых рассуждений о возможном нарушении четности новым типом фундаментального взаимодействия, способным, может быть, различать левое и правое, было далеко до того, чтобы это продемонстрировать. Месяцем позже Ли и Янг, обедая в нью-йоркском кафе, решили еще раз проанализировать все известные эксперименты, имевшие дело со слабым взаимодействием, чтобы понять, можно ли по данным какого-нибудь из них отвергнуть всякую возможность нарушения четности. Проделав это, они, к собственному огромному удивлению, поняли, что ни один эксперимент наверняка это не устанавливает. Янг позднее вспоминал: «Тот факт, что сохранение четности при слабом взаимодействии так долго не подвергалось сомнению без всяких экспериментальных доказательств, поражал воображение. Но еще поразительнее была перспектива того, что закон симметрии пространства – времени, который физики так хорошо изучили, может нарушаться. Эта перспектива нам не нравилась».
К чести Ли и Янга следует отметить, что молодые ученые предложили несколько экспериментов, при помощи которых можно было проверить возможность того, что слабое взаимодействии различает правое и левое. Они предложили рассматривать бета-распад нейтрона в ядре кобальта-60. Поскольку это радиоактивное ядро обладает ненулевым спином (моментом импульса), то есть ведет себя так, будто вращается вокруг своей оси, оно также работает как крохотный магнит. Во внешнем магнитном поле такие ядра выстраиваются в направлении поля. Если электроны, испущенные при распаде нейтрона в ядре, в конечном итоге оказываются преимущественно в одном полушарии, а не в другом, то это признак нарушения четности, поскольку в зеркале те же электроны оказались бы в противоположном полушарии.
Если бы это оказалось правдой, то означало бы, что на фундаментальном уровне природа различает правое и левое. Тогда и созданные человеком различия между ними (не зря же «правый» означает не только сторону, но и правоту) оказались бы не совершенно искусственными. Таким образом, мир в зеркале можно было бы отличить от реального мира, или, как позже образно сформулировал Ричард Фейнман, мы могли бы использовать этот эксперимент, чтобы отправить послание марсианам, информирующее их, какое направление является «левым», – скажем, то полушарие, где наблюдается появление большего числа электронов, – и для этого не нужно будет рисовать картинку.
Тогда такая возможность казалась настолько маловероятной, что многих в физическом сообществе эта инициатива позабавила, но никто не спешил поставить предложенный эксперимент. То есть никто, кроме коллеги Ли по Колумбийскому университету – физика-экспериментатора У Цзяньсюн, известной также как мадам Ву.
Даже сегодня мы нередко сетуем на малое число женщин среди физиков, обучающихся в американских университетах, но в 1956 г. ситуация была много хуже. О чем говорить, если до конца 1960-х гг. женщин даже не принимали в большинство университетов Лиги плюща. Почти через тридцать лет после того как У (Ву) прибыла из Китая в 1936 г. на учебу в Беркли, журнал Newsweek в посвященной ей статье привел такое ее высказывание: «Безобразие, что в науке так мало женщин… В Китае множество женщин занимается физикой. В Америке бытует ложное представление, что все женщины-ученые – неряшливые старые девы. Виноваты в этом мужчины. В китайском обществе женщина ценится за то, что она собой представляет, и мужчины поощряют ее достижения – но при этом она остается бесконечно женственной».
Как бы то ни было, Ву была специалистом по распаду нейтрона, и заманчивая возможность поискать нарушения четности в слабом взаимодействии, о которой она узнала от своих друзей Ли и Янга, ее заинтриговала. Она отменила поездку с мужем в Европу и занялась этим экспериментом в июне – всего через месяц после того, как Ли и Янг впервые задумались об этой проблеме; к октябрю того же года, когда статья Ли и Янга вышла из печати, она с несколькими коллегами собрала необходимую для эксперимента установку. Через два дня после Рождества того же года они получили результат.
Сегодня эксперименты в области физики элементарных частиц могут занимать десятилетия от задумки до завершения, но в 1950-е гг. все обстояло не так. Кроме того, это было время, когда физики, судя по всему, не думали о таких вещах, как отпуск и выходные. Несмотря на рождественские праздники, организованные Ли пятничные «китайские завтраки» продолжались, и в первую пятницу после Нового года Ли объявил, что группа Ву обнаружила не просто нарушение четности, но нарушение, максимально возможное в данном эксперименте. Результат настолько всех удивил, что группа Ву продолжила работу в том же направлении, чтобы убедиться, что результат не объясняется каким-то недоразумением или ошибкой эксперимента.
Тем временем Леон Ледерман и его коллеги Дик Гарвин и Марсель Вайнрич, тоже из Колумбийского университета, поняли, что могут проверить эти результаты в своих экспериментах по распаду пионов и мюонов на университетском циклотроне. Не прошло и недели, как обе группы – а еще Джерри Фридман и Вал Телегди в Чикаго – независимо подтвердили результат с высокой достоверностью и к середине января 1957 г. представили свои статьи в Physical Review. Они навсегда изменили нашу картину мира.
Колумбийский университет созвал, вероятно, первую в истории пресс-конференцию для объявления научного результата. Фейнман проиграл пари на 50 долларов, а вот Вольфгангу Паули повезло больше. Он 15 января написал из Цюриха письмо Виктору Вайсскопфу в Массачусетский технологический институт, в котором предложил пари на то, то эксперимент Ву не покажет нарушения четности, не зная, что эксперимент ее уже показал. В письме Паули эмоционально восклицал: «Я отказываюсь верить, что Бог – слабосильный левша», продемонстрировав к тому же интересное мнение о бейсболе. Вайсскопф, который к тому моменту уже знал о полученных результатах, оказался слишком честен, чтобы принять предложенное пари.
Узнав новости, Паули некоторое время спустя написал: «Теперь, когда первый шок миновал, я начинаю приходить в себя». Это был настоящий шок. Идея о том, что одна из фундаментальных сил в природе различает правое и левое, всей силой обрушилась и на здравый смысл, и на основания современной физики в том виде, как ее тогда понимали.
Шок был настолько силен, что, чуть ли не впервые в истории Нобелевской премии, воля Нобеля была выполнена надлежащим образом. В его завещании говорится, что премия должна выдаваться ученому или ученым в каждой научной области, чья работа в том году принесла наиболее важные результаты. В октябре 1957 г., почти точно через год после публикации статьи Ли и Янга и всего через десять месяцев после подтверждения, полученного Ву и Ледерманом, тридцатиоднолетний Ли и тридцатичетырехлетний Янг разделили между собой Нобелевскую премию, которая была присуждена им за выдвинутую гипотезу. А вот мадам Ву, которую называли китайской мадам Кюри, пришлось, как ни обидно, довольствоваться честью стать первым лауреатом учрежденной двадцать лет спустя премии Вольфа по физике.
Внезапно слабое взаимодействие стало куда более интересным, но и куда менее понятным. Теория Ферми, которой физики обходились до того момента, строилась примерно по модели теории электромагнетизма. Об электромагнитном взаимодействии можно думать как о силе, возникающей между двумя электрическими токами, соответствующими двум движущимся электронам, между которыми и происходит взаимодействие. Слабое взаимодействие тоже можно представить аналогичным образом, если считать, что в одном из токов нейтрон в процессе взаимодействия превращается в протон, а другой ток образуют вылетающие электрон и нейтрино.
Однако между этими ситуациями есть два принципиальных различия. В слабом взаимодействии по Ферми два тока взаимодействуют в одной точке, а не на расстоянии, и токи в слабом взаимодействии позволяют частицам превращаться из одного типа в другой в процессе движения сквозь пространство.