Розділ без назви (24)

І замешкає вовк із вівцею, і буде лежати пантера з козлям…

Ісая 11:6

Взаємозв’язок між теоретичною проникливістю й експериментальним відкриттям є одним із найцікавіших аспектів прогресу науки. Як і вся наука, фізика за своєю суттю є емпіричною дисципліною. Проте подеколи короткочасні сплески теоретичної проникливості все змінюють. Гарними прикладами, безумовно, є прозріння Ейнштейна щодо простору й часу впродовж перших двох десятиліть ХХ століття, а також визначний теоретичний прогрес, пов’язаний із розвитком квантової механіки зусиллями Шрьодінґера, Гайзенберга, Паулі, Дірака та інших упродовж 1920-х років.

Значно меншу славу має період із 1954 до 1974 року, який, хоч і не був настільки ж революційним, через достатню кількість років вважатиметься однією з найврожайніших та найпродуктивніших для теоретичної фізики ер у ХХ столітті. Ці два десятиліття, хоч і не без потрясінь, привели нас від хаосу до порядку, від збентеження до впевненості, від потворності до краси. Це карколомна поїздка з кількома раптовими змінами маршруту, які можуть здатися чудернацькими, проте я дуже прошу вас набратися терпіння. Якщо почуватиметеся трохи незручно, згадайте, що я казав у вступі про науку й комфорт. Лише помістивши себе в систему роздумів тих, хто брав участь у цих пошуках і чиє роздратування зрештою привело до здогадок, можна по-справжньому оцінити значення цих самих здогадок.

Цей буремний період змінив той, коли експериментальні блокбастери породили загальне сум’яття, зробивши природу «усе дивнішою й дивнішою», як висловився б Льюїс Керрол. Відкриття позитрона, а невдовзі після того — нейтрона, були лише початком. Нейтронний розпад, ядерні реакції, мюони, піони й ціла купа нових елементарних частинок після них справляли враження, що фундаментальна фізика безнадійно ускладнена. Проста картина всесвіту, у якій взаємодією матерії, утвореної з протонів та електронів, керували суто електромагнетизм і гравітація, відправилася на смітник історії. Деякі тогочасні фізики, як деякі нинішні прихильники правих політичних поглядів, сумували за часто згадуваною в спотвореному вигляді простотою добрих давніх часів.

До початку 1960-х років новознайдена складність спонукала декого уявити собі, що ніщо не є фундаментальним. В уявленій ними дзеноподібній картині всі елементарні частинки складалися з усіх інших елементарних частинок, і навіть саме поняття фундаментальних сил могло бути не більш ніж ілюзією.

Утім, на задньому плані потроху просочувалися теоретичні ідеї, які відсунуть темні завіси невігластва та збентеження й відкриють базисну структуру природи, яка виявиться настільки ж дивовижною, наскільки напрочуд простою, і в якій ключову роль знову відіграватиме світло.

Усе почалося з двох теоретичних розробок, одна з яких була ґрунтовною та маловідомою, а друга — відносно прямолінійною та вшанованою практично одразу. Що цікаво, до обох мала стосунок та сама людина.

Народжений 1922 року в родині математика, Янг Чженьнін здобув освіту в Китаї, а 1938 року переїхав із Пекіна до Куньміна, рятуючись від японського вторгнення. Чотири роки по тому він закінчив Національний південно-західний об’єднаний університет, у якому залишився ще на два роки. Там він зустрів іншого вимушеного переїхати до Куньміна студента — Лі Цзун-дао. Хоча вони дуже мало знали про США, 1946 року обидва одержали засновані урядом США на отримані від Китаю кошти стипендії, метою яких було надати можливість талановитим китайським студентам здобути вищу освіту в Америці. Янг уже мав магістерський ступінь, тобто більше свободи у виборі шляху до здобуття докторського ступеня, і разом із Фермі переїхав із Колумбійського до Чиказького університету. Лі ще не мав ступеня магістра, тож його вибір був вужчим, проте єдиним американським вищим навчальним закладом, у якому він міг працювати безпосередньо над здобуттям докторського ступеня, виявився той-таки Чиказький університет. Янг написав ди­сертацію під керівництвом Едварда Теллера й безпосередньо працював із Фермі як його асистент упродовж лише року після випуску, тоді як Лі писав свою дисертацію під безпосереднім керівництвом Фермі.

Упродовж 1940-х років Чиказький університет був одним із найбільших центрів теоретичної й експериментальної фізики в країні, і його докторанти мали величезну вигоду від спілкування зі славетною плеядою науковців, яка включала не лише Фермі й Теллера, а й багатьох інших, зокрема блискучого, проте скромного астрофізика Субрахманьяна Чандрасекара. У 19-річному віці Чандра, як його часто називали колеги, довів, що зорі, чиї маси перевищували масу Сонця більш ніж в 1,4 разу, по закінченні свого життя, пов’язаного зі спаленням ядерного палива, мають катастрофічно колапсувати або шляхом того, що нині відоме як вибух наднової, або безпосередньо в те, що нині відоме як чорна діра. Хоча в той час над його теорією потішалися, сорок три роки по тому він отримав за цю роботу Нобелівську премію.

Чандра був не просто блискучим науковцем, а ще й, як Фермі, відданим учителем. Попри те, що він проводив дослідження в Єркській обсерваторії в штаті Вісконсин, щотижня він здійс­нював стомильну подорож в обидва кінці, щоби провести заняття для лише двох записаних студентів, Лі та Янга. Урешті-решт усі учні цього класу разом зі своїм професором стали Нобелівськими лауреатами, що, наскільки мені відомо, є унікальним випадком в історії науки.

1949 року Янг переїхав до уславленого Інституту перспективних досліджень у Принстоні, де плекав їхню з Лі товариську співпрацю з різноманітних тем. 1952 року Янг став постійним членом Інституту, а Лі 1953 року переїхав до сусіднього Колумбійського університету в Нью-Йорку, де пропрацював решту своєї кар’єри.

Кожен із цих чоловіків зробив значні внески в різноманітні галузі фізики, проте спільна робота, яка зробила їх знаменитими, почалася з дивного експериментального результату, знов-таки одержаного під час спостереження космічних променів.

Того ж року, коли Янг переїхав із Чикаго до ІПД, Сесіл Пауелл, першовідкривач піона, відкрив у космічних променях нову частинку, яку назвав тау-мезоном. Спостереження показали, що ця частинка розпадається на три піони. Невдовзі було відкрито ще одну нову частинку, яку назвали тета-мезоном і яка розпадалася на два піони. Що цікаво, маса й час життя цієї нової частинки виявилися точно такими самими, як у тау-мезона.

Це може здатися не таким уже й дивним. Що, як це та сама частинка, просто здатна згідно зі спостереженнями розпадатися двома різними способами? Пригадаймо, що у квантовій механіці дозволено все, що не заборонено, і допоки нова частинка є достатньо важкою, щоб розпастися на два чи три піони, — а слабка сила допускає такі розпади, — відбуватися мають обидва.

Проте якщо слабка сила має сенс, вона не повинна допускати одночасно два різні розпади.

Задумайтеся на хвильку про свої руки. Ваша ліва рука відрізняється від вашої правої руки. Жоден простий фізичний процес, за винятком хіба що проходження крізь дзеркало, не може перетворити одну вашу руку на другу. Жодна послідовність рухів угору чи вниз, жоден поворот чи підстрибування вгору-вниз не можуть перетворити одну руку на другу.

Сили, що керують нашими чуттями, електромагнетизм і гравітація, не розрізняють лівий і правий боки. Жоден процес, що відбувається під дією якоїсь із цих сил, не може обернути щось на кшталт вашої правої руки на її дзеркальне відображення. Скажімо, я не можу обернути вашу праву руку на ліву, просто посвітивши на неї.

Іншими словами, якщо я посвічу на вашу праву руку й погляну на неї з деякої відстані, інтенсивність відбитого світла буде такою самою, якщо я посвічу на вашу ліву руку. Світлу, яке від чогось відбивається, байдуже, лівий це бік чи правий.

Наше визначення лівого й правого нав’язане нам людською нормою. Завтра ми можемо вирішити, що лівий бік є правим і навпаки, і не зміниться нічого, крім наших позначень. Я пишу ці рядки в літаку, в економ-класі, і людина праворуч від мене дуже відрізняється від людини ліворуч від мене, проте це лише випадковий збіг обставин. Я не очікую, що закони, які керують польотом мого літака, працюватимуть для його правого крила одним чином, а для лівого — іншим.