Если электромагнитные взаимодействия в зеркале выглядят точно так же, как в реальном мире, то в слабом взаимодействии четность нарушается, задействованные в нем «токи» должны будут, как отмечал Паули, иметь «хиральность», то есть направленность, позволяющую различать в них правое и левое, как, к примеру, имеют хиральность штопор и ножницы, отражение которых в зеркале отличается от оригинального предмета.
Нарушение четности при слабом взаимодействии можно уподобить принятому в обществе правилу, согласно которому мы пожимаем друг другу правую руку. У людей зазеркального мира рукопожатие выполняется левыми руками. Таким образом, реальный мир заметно отличается от своего зеркального отражения. Если бы токи в слабом взаимодействии обладали хиральностью, то само слабое взаимодействие могло бы различать правое и левое, и тогда в зазеркальном мире оно выглядело бы не так, как в нашем реальном мире.
Было проделано много работы – и возникло много путаницы, когда физики попытались в деталях разобраться, какие типы новых возможных взаимодействий могли бы заменить простое взаимодействие токов по Ферми, при котором задействованным частицам невозможно было приписать какую бы то ни было хиральность. Теория относительности допускает ряд возможных обобщений взаимодействия Ферми, но результаты различных экспериментов приводили к разным, взаимоисключающим математическим формам для искомого взаимодействия, так что казалось невозможным объяснить все эти результаты одним универсальным слабым взаимодействием.
Примерно в то же время, когда появились первые экспериментальные результаты по распаду нейтрона и мюона, позволяющие предположить, что четность при слабом взаимодействии нарушается в максимально возможной степени, в этой запутанной ситуации начал разбираться студент-выпускник Рочестерского университета Джордж Сударшан. Он предложил свою теорию универсального взаимодействия, которая могла бы заменить вариант Ферми, – и со временем выяснилось, что его теория верна, – однако из нее также вытекало, что по крайней мере некоторые экспериментальные результаты того времени ошибочны.
История эта завершилась в какой-то мере трагично. На конференции в Рочестере, через три месяца после того, как было открыто нарушение четности, и через год после того, как Ли и Янг представили свои первые мысли об удвоении четности, Сударшан подал заявку на выступление, чтобы представить свои результаты. Однако, поскольку он был всего лишь студентом, его заявка была отклонена. Его научный руководитель Роберт Маршак, в свое время предложивший Сударшану эту исследовательскую задачу, к тому моменту был поглощен уже другой задачей из области ядерной физики и предпочел провести вместо этого семинар по своей теме. Еще один сотрудник, которого попросили упомянуть в своем выступлении работу Сударшана, также забыл это сделать. Так что дискуссия о возможной форме слабого взаимодействия, проходившая на конференции, в конечном итоге ни к чему не привела.
Ранее, в 1947 г., Маршак первым предположил, что в экспериментах Сесила Пауэлла были открыты два разных мезона, один из которых представляет собой частицу, о существовании которой говорил Юкава, а второй – частицу, которая в настоящее время называется мюоном. Кроме того, Маршак был инициатором Рочестерских конференций и, вероятно, считал, что выпустить на ней с выступлением своего студента было бы фаворитизмом. К тому же, чтобы идея Сударшана работала, по крайней мере некоторые экспериментальные данные должны были оказаться ошибочными, поэтому, вполне возможно, Маршак решил, что представлять эту идею на конференции преждевременно.
Тем летом Маршак работал на корпорацию RAND в Лос-Анджелесе и позвал с собой Сударшана и еще одного студента. Два самых известных в то время в мире теоретика в области физики элементарных частиц – Фейнман и Гелл-Манн – работали в Калифорнийском технологическом, и оба они были одержимы разгадкой формы слабого взаимодействия.
Фейнман в свое время не открыл нарушения четности, потому что не стал упорствовать в поиске ответов на вопросы, которые сам же и задал, но с тех пор он успел понять, что его работа по квантовой электродинамике могла бы пролить свет на слабое взаимодействие. Он отчаянно стремился к этому, поскольку чувствовал, что его работа в области КЭД – это всего лишь хитроумное математическое упражнение, куда менее благородное, чем установление формы закона, управляющего одним из фундаментальных взаимодействий в природе. Однако гипотеза Фейнмана относительно формы слабого взаимодействия также, судя по всему, расходилась с экспериментальными данными того времени.
В 1950-е гг. именно Гелл-Манну суждено было предложить многие из важнейших в то время и надолго сохранивших свое значение идей в физике элементарных частиц. Он был одним из двух физиков, которые предположили, что протоны и нейтроны состоят из более фундаментальных частиц, которые Гелл-Манн назвал кварками. У него были собственные причины размышлять о четности и слабом взаимодействии. Основой его успеха в значительной части была сосредоточенность на новых математических симметриях в природе, и он, помимо прочего, использовал эти идеи, чтобы предложить новую возможную форму для слабого взаимодействия, но опять же его идея противоречила экспериментальным данным.
Во время пребывания в Лос-Анджелесе Маршак организовал для Сударшана завтрак с Гелл-Манном, на котором они могли бы поговорить о своих идеях. Кроме того, они встретились с выдающимся экспериментатором Феликсом Бёмом, по словам которого, его эксперименты теперь соответствовали их идеям. Сударшан и Маршак узнали от Гелл-Манна, что его идеи созвучны с гипотезой Сударшана, но что сам Гелл-Манн планирует, быть может, включить этот момент одним параграфом в длинную статью по общим вопросам слабого взаимодействия.
Тем временем Сударшан и Маршак подготовили статью по своей идее, и Маршак решил приберечь ее и представить осенью на международной конференции в Италии. Однако Фейнман, узнав от Бёма о новых экспериментальных данных, решил – с немалым энтузиазмом, – что его идеи верны, и начал писать статью на эту тему. Гелл-Манн, будучи очень амбициозным по характеру, решил, что, раз Фейнман пишет статью по этому вопросу, ему тоже стоит написать статью. В итоге руководитель факультета убедил Фейнмана и Гелл-Манна написать совместную статью, что они и сделали. Статья привлекла огромное внимание и стала знаменитой. Хотя в текст и были включены благодарности за плодотворные дискуссии Сударшану и Маршаку, их собственная статья появилась позже в трудах конференции и не могла соперничать со статьей Фейнмана и Гелл-Манна в борьбе за внимание физического сообщества.
Позже, в 1963 г., Фейнман, всегда старавшийся проявлять великодушие в отношении идей, публично заявил: «Эту теорию открыли Сударшан и Маршак, но сделали популярной Фейнман и Гелл-Манн». Но это заявление прозвучало слишком поздно, да и было его явно недостаточно. Даже в лучшие времена трудно было бы конкурировать в вопросах славы с Фейнманом и Гелл-Манном, и Сударшану пришлось прожить много лет с сознанием того, что универсальную форму слабого взаимодействия, открытую двумя героями мировой физики, первым предложил именно он, причем с большей уверенностью, чем остальные.
Теория Сударшана, красиво изложенная в статье Фейнмана и Гелл-Манна, получила известность как V-A-теория слабого взаимодействия. Название ее имеет сугубо техническое происхождение и станет понятнее в последующих главах, однако фундаментальная идея этой теории проста, хотя и покажется неспециалисту одновременно нелепой и бессмысленной: токи, фигурирующие в теории Ферми, должны быть «левыми».
Чтобы разобраться в этой терминологии, вспомним, что в квантовой механике элементарные частицы, такие как электроны, протоны и нейтрино, обладают вращательным моментом импульса, то есть ведут себя так, как если бы вращались вокруг своей оси, хотя с классической точки зрения точечная частица не может считаться вращающийся. Теперь рассмотрим направление их движения и предположим на мгновение, что частица подобна волчку, вращающемуся вокруг своей оси. Протяните правую руку и расположите ее так, чтобы отставленный большой палец указывал в направлении движения частицы. Теперь согните остальные пальцы. Если они сгибаются в том же направлении (против часовой стрелки), в каком вращается частица/волчок относительно направления движения, то частицу называют правой. Если вытянуть левую руку и проделать ту же операцию, то левая частица будет вращаться по часовой стрелке, соответствуя движению согнутых пальцев вашей руки.
Если посмотреть на левую руку в зеркало, она будет выглядеть как правая рука; точно так же, если смотреть в зеркало на вращающуюся в полете стрелу, направление ее движения поменяется, так что если в реальном мире стрела летит прочь от вас, то в зеркале она будет лететь к вам, но направление ее вращения не поменяется. Таким образом, в зеркале левая частица превратится в правую. (Так что, если бы у бедняг в Платоновой пещере было зеркало, они, возможно, не удивлялись бы так сильно тому, что тени стрел меняют направление движения.)
Эта рабочая картинка левой частицы неточна, поскольку, если подумать, то левую частицу можно превратить в правую, просто двигаясь быстрее этой частицы. В системе отсчета, в которой человек покоится и видит, как мимо пролетает частица, она, возможно, будет двигаться влево. Но если вы сядете в ракету, направите ее влево и обгоните частицу, то относительно вас она будет двигаться вправо. В результате получается, что представленное выше описание является точным только для частиц, которые не имеют массы и потому движутся со скоростью света. Ведь если частица движется со скоростью света, ничто не может двигаться так быстро, чтобы ее обогнать. Математически точное определение левости частицы должно принимать во внимание данный эффект, но здесь мы к этому больше обращаться не будем.
Электроны могут вращаться в любом направлении, однако V-A-теория в математической форме утверждает, что лишь движущиеся электроны с левыми токами способны «чувствовать» слабое взаимодействие и участвовать в распаде нейтрона. Правые токи этого взаимодействия не чувствуют.